電動回転機
【課題】トルクの低下などを招くことなく、トルクリプルを低減させて、振動や騒音の少ない高品質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。
【解決手段】固定子１１は、回転子１２に対面する複数本のティース１５と、コイルをティースに巻き掛ける空間の複数のスロットとを有し、回転子には、ティースに磁気力を働かせる一対の永久磁石がＶ字に埋め込まれている電動回転機であって、固定子側の６つのスロットに対応する回転子側のフラックスバリアを含む一対の永久磁石側を１磁極としたときに、長めのティース１５Ｌと、短めのティース１５Ｓとを備えて、長めのティースの内周面１５ａと回転子の外周面１２ａとの間の対面間隔ｘＬと、短めのティースの内周面と回転子の外周面との間の対面間隔ｘＳとが、０．１≦（ｘＳ−ｘＬ）／ｘＬ≦０．３の範囲内になるように形成されている。
【解決手段】固定子１１は、回転子１２に対面する複数本のティース１５と、コイルをティースに巻き掛ける空間の複数のスロットとを有し、回転子には、ティースに磁気力を働かせる一対の永久磁石がＶ字に埋め込まれている電動回転機であって、固定子側の６つのスロットに対応する回転子側のフラックスバリアを含む一対の永久磁石側を１磁極としたときに、長めのティース１５Ｌと、短めのティース１５Ｓとを備えて、長めのティースの内周面１５ａと回転子の外周面１２ａとの間の対面間隔ｘＬと、短めのティースの内周面と回転子の外周面との間の対面間隔ｘＳとが、０．１≦（ｘＳ−ｘＬ）／ｘＬ≦０．３の範囲内になるように形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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が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）の低減やスムーズな加速性能のためにも、トルクリプルを抑えるのが効果的である。
【０００８】
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る電磁騒音の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。
【０００９】
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永久磁石同士を回転方向（周回回転方向）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）。
【００１０】
しかしながら、スキューを施した電動回転機にあっては、組立工数が増加して生産コストが増加するとともに、隣接する永久磁石同士には段差が存在する状態で組み付けられることから、その段差の境界面付近での着磁率が悪化して永久磁石としての磁束密度が低下することになる。この結果、電動回転機に備えさせる出力トルクが低下してしまう。
【００１１】
このことから、電動回転機では、スキューを施すことなく、電磁騒音低減と低トルクリプルを実現する各種工夫がなされており、固定子内で回転する回転子の外周面の断面形状を花弁状にするなどして、回転子の外周面と固定子の内周面との間の隙間（エアギャップ）を、ｑ軸との交差位置で広くすることが提案されている（例えば、特許文献１、３、４）。
【００１２】
しかしながら、この特許文献１、３、４に記載の電動回転機にあっては、回転子の永久磁石が構成する磁極側において、励磁軸となるｑ軸でのエアギャップが広くなることにより磁気抵抗が増加し、突極比やトルクの低下と共に効率悪化を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８− ９９４１８号公報
【特許文献２】特開２００６−３０４５４６号公報
【特許文献３】特開２０００−１９７２９２号公報
【特許文献４】特開２００７−３１２５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、トルクの低下などを招くことなく、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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、該１磁極が前記１組のスロットに対して相対移動する際の前記ティース部毎に対応するトルクの変動を、当該ティース部毎の内周面と前記回転子の外周面との間の磁気抵抗を変化させて調整することを特徴とするものである。
【００１６】
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、前記ティース部は、隣接する１歯毎に長短２種の長さが交互に連続するように形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
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組の永久磁石を埋め込んで前記１磁極が構成され、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、前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記第２ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の前記対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄとが、０．１≦ｄ／Ｄ１≦０．３の範囲内になるように当該第１、第２ティース部が形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明の態様によれば、固定子側のコイルに通電することより生成される磁束がその固定子側のティース部から対面する回転子側に通過することにより相対回転する際のトルク変動が、１磁極に対して対面するティース部毎の回転子側との間の磁気抵抗が変化されて調整される。したがって、ティース部毎の磁束が回転子側に通過するために生じるトルク変動を容易に調整することができ、例えば、トルク変動を小さくして回転子の回転時に生じるトルクリプルを低減することができる。この結果、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。
【００１９】
本発明の上記の第２の態様によれば、長短２種の長さのティース部が１歯毎に交互に連続するように形成される。したがって、トルクリプルなどを効果的に低減して、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。
【００２０】
本発明の上記の第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、長めの第１ティース部よりも縮小されることにより拡大された短めの第２ティース部の回転子に対する対面間隔Ｄ２の拡大幅ｄがその第１ティース部の回転子に対する対面間隔Ｄ１に対する比率が０．１〜０．３程度になるように調整される。したがって、トルクリプルなどを当該構造においても効果的に低減して、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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図であり、その基本構造を示す平面図である。
【図２】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。
【図３】本発明の課題の解決を説明する磁束波形のグラフである。
【図４】本発明の課題の解決を説明するトルク波形のグラフである。
【図５】その一実施形態の構成条件を示す平面図である。
【図６】その一実施形態の構成条件をモデル化した一部拡大平面図である。
【図７】その構成の条件決定を説明するグラフである。
【図８】その構成による効果を検証するグラフである。
【図９】その構成による効果を検証する図８と異なるグラフである。
【図１０】その構成による効果を検証する図８、図９と異なるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１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。
【００２４】
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（不図示）を構成する３相巻線が分布巻により巻付形成されている。
【００２５】
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と、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）とを形成する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の間には、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
ここで、この電動回転機１０は、図２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。
【００２９】
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３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３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。
【００３０】
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。
【数１】
【００３１】
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。
【数２】
【００３２】
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。
【００３３】
詳細には、角速度ωｍ、ＵＶＷの各相誘起電圧Ｅｕ(t)、Ｅｖ(t)、Ｅｗ(t)、ＵＶＷの各相電流Ｉｕ(t)、Ｉｖ(t)、Ｉｗ(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。
【００３４】
Ｐ(t)＝Ｅｕ(t)Ｉｕ(t)＋Ｅｖ(t)Ｉｖ(t)＋Ｅｗ(t)Ｉｗ(t)＝ωｍ・τ(t) ……(4)
【００３５】
τ(t)＝[Ｅｕ(t)Ｉｕ(t)＋Ｅｖ(t)Ｉｖ(t)＋Ｅｗ(t)Ｉｗ(t)]／ωｍ ……（5）
【００３６】
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Ｅｕ(t)を次式（６）、Ｕ相電流Ｉｕ(t)を次式（７）と置くと、Ｕ相トルクτｕ(t)は次式（８）のように表すことができる。
【数３】
【００３７】
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Ｅｕ(t)、Ｕ相電流Ｉｕ(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、
【００３８】
６ｆ＝ｎ±ｍ（ｆ：自然数）、ｓ＝ｎαｎ＋ｍβｍ、ｔ＝ｎαｎ−ｍβｍ
と、置くと、次式（９）のように表すことができる。
【数４】
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
この電動回転機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り、電気角の１周期内においては、スロットオープン（コイルの挿入口となるステータティース１５の先端間の隙間）の空気における低い磁束の透磁率により磁気抵抗が１２箇所で大となる。この１２箇所のスロット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。この１１次、１３次の空間高調波ｎは、一般にスロット高調波といって、例えば、永久磁石１６の軸方向における設置位置に応じて軸心を中心に捩じったスキュー角を持たせることにより、スロット１８における磁気抵抗のタイミングをずらして、１１次と１３次を低減することができる。また、この回転子１２側のスキューを避ける場合には、例えば、スロット１８のスロットオープン箇所にコイル挿入後に電磁鋼板の杭などを入れたり、そのスロットオープン幅を狭めることで磁気抵抗を低減してスロット高調波を抑制したり、また、モータ制御上で逆位相の高調波を注入するなどのスロット高調波を低減するような制御を行うなど、各種の方式が存在する。このように、１１次、１３次の空間高調波ｎは、容易に低減することができる。
【００４２】
しかしながら、３相のＩＰＭ構造の場合には、図３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。
【００４３】
そこで、上記の３相のＩＰＭモータでは、図４に示すように、電気角１周期分のトルク波形のシミュレーションをして確認したところ、最大トルクＡと最小トルクＢが６回繰り返される脈動が発生することが分かる。その最大トルクＡと最小トルクＢの発生タイミングにおける磁束密度分布の確認をしたところ、最小トルクＢの発生タイミングでは、ステータティース１５毎の磁束密度の高低（粗密）差が大きく、その差に応じた空間高調波が重畳してトルクリプル増加の要因となっていることが分かる。
【００４４】
この最小トルクＢの発生タイミングＢ１〜Ｂ６における磁束密度分布は、半周期分に対応する範囲内で１つのステータティース１５の磁束密度が他よりも大きく高くなっており、図５には電気角１周期分のみ図示しているが、その磁束密度の高くなるステータティース１５が半周期毎に重なる１歯置きになっている。このステータティース１５における磁束密度の高低（粗密）差に応じた空間高調波の重畳によりトルクリプル増加が発生していることが分かる。なお、電気角１周期分（３６０°）は、回転子１２の外周面１２ａ側に対面する一対の永久磁石１６のＮ極・Ｓ極分に、言い換えると、１磁極（フラックスバリア１７ｂを含む一対の永久磁石１６毎）の回転中心に対する開口角度θ１の２倍に相当する。この電動回転機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周期に相当する。
【００４５】
このことから、電動回転機１０では、図６に示すように、上記の最小トルクＢの発生タイミングＢ１〜Ｂ６において磁束密度が高くなるステータティース１５に対応するように、１歯毎のステータティース１５の長さを短くしてその内周面１５ａと回転子１２の外周面１２ａとの間のエアギャップＧの隙間間隔ｘを調整している。例えば、短めのステータティース（第２ティース部）１５Ｓは、その隙間間隔ｘＳ（Ｄ２）を長めのステータティース（第１ティース部）１５Ｌの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）よりも大きく拡大して（拡大幅ｄ）磁気抵抗を高くすることにより磁束密度を低減している。言い換えると、ステータティース１５は、長短の２種の長さに形成されて隣接する１歯毎に交互に連続するように形成されている。
【００４６】
また、この短ステータティース１５Ｓの長さは、長ステータティース１５Ｌに対する縮小割合（対面間隔の拡大割合）を有限要素法による電磁界解析を行って決定しており、長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａが回転子１２の外周面１２ａより離隔するエアギャップＧの隙間間隔ｘＬからの拡大幅（ｄ＝ｘＳ−ｘＬ）を用いて、その比率であるδ（ｄ／ｘＬ）をパラメータとして最適条件を決定し形成されている。
【００４７】
この有限要素法による電磁界解析では、ステータティース１５の長さの未調整時に対するトルク比率やそのトルクに重畳する６次、１２次の高調波トルク比率を導出すると、図７のグラフに示すような結果が得られる。この図７のグラフでは、δ＝０を基準にして、１０％未満では高調波トルクの低減に効果を見出すことができず、また、４０％以上になると、６次の高周波トルクの低減効果がなくなって、さらに、３０％を超えると、１２次の高調波トルクが上昇してしまうとともに、発生トルク自体が低下してしまう。
【００４８】
すなわち、長ステータティース１５のエアギャップＧの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）に対する短ステータティース１５Ｓの隙間間隔ｘＳの拡大幅（短ステータティース１５Ｓの長ステータティース１５Ｌからの縮小幅）ｄの比率δ（ｄ／Ｄ）は、次の条件１程度の範囲内に収めることによりトルクを大きく低下させることなく、６次の高調波トルクの低減という効果を得ることができ、また、次の条件２程度の範囲内に狭めることによりその６次の高調波トルクをより低減することができ、さらに、次の条件３の範囲内に絞ることにより６次の高調波トルクをより効果的に低減することができる。
条件１：１０％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
条件２：２０％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
条件３：２５％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
【００４９】
この電動回転機１０では、例えば、上記の条件３の範囲内になるように固定子１１の短ステータティース１５Ｓの長さを調整することにより、図８に示すように、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合よりも、誘起電圧に重畳する特に６次の高調波トルクの要因となる５次、７次の空間高調波の含有率を低減することができ、１２次の高調波トルクよりも低減の難しい６次の高調波トルクを効果的に低減できることが分かる。
【００５０】
同様に、この電動回転機１０では、図９に示すように、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合に、短期にトルクが大きく急激に変動するためにドライバなどが不快に感じるトルクリプルを、トルクの最大・最小に影響を与えることなく抑制することができ、緩やかな変動の安定したトルク出力に調整できることが分かる。
【００５１】
また、この電動回転機１０では、図１０に示すように、トルク波形のフーリエ級数の展開を行って確認しても、高調波トルクの１２次成分は変わらないにしても、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合よりも、その１２次成分よりも低減の難しい６次成分を低減できることが分かる。
【００５２】
したがって、この電動回転機１０では、固定子１１のステータティース１５の長さを調整していない場合には、特に６次の高周波トルクがトルク波形に重畳してしまうことを抑制することができないのに対して、１歯置きに、１０％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％の範囲内になるように、好ましくは、２０％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％、より好ましくは、２５％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％の条件を満たす短ステータティース１５Ｓが配置されるように形成するだけで、トルクリプルを効果的に低減することができる。
【００５３】
このように本実施形態においては、固定子１１のステータティース１５として、長ステータティース１５Ｌの隙間間隔ｘＬよりも拡大率δ（ｄ／ｘＬ）＝１０％〜３０％の範囲内で拡大した隙間間隔ｘＳになるように短く形成した短ステータティース１５Ｓを１歯置きに備えている。これにより、トルク波形に重畳する６次の高調波トルクを低減してトルクリプルを抑えることができ、トルクの変動を小さくすることができる。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回転駆動させることができる。
【００５４】
ここで、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す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。
【００５５】
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、１磁極１対が１周期（３６０°）に対応する角度を電気角として説明するが、これに限るものではなく、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。
【００５６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 電動回転機
１１ 固定子
１２ 回転子
１２ａ 外周面
１３ 回転軸
１５ ステータティース
１５ａ 内周面
１５Ｌ 長ステータティース
１５Ｓ 短ステータティース
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
Ｇ エアギャップ
ｘＬ、ｘＳ 隙間間隔
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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が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）の低減やスムーズな加速性能のためにも、トルクリプルを抑えるのが効果的である。
【０００８】
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る電磁騒音の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。
【０００９】
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永久磁石同士を回転方向（周回回転方向）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）。
【００１０】
しかしながら、スキューを施した電動回転機にあっては、組立工数が増加して生産コストが増加するとともに、隣接する永久磁石同士には段差が存在する状態で組み付けられることから、その段差の境界面付近での着磁率が悪化して永久磁石としての磁束密度が低下することになる。この結果、電動回転機に備えさせる出力トルクが低下してしまう。
【００１１】
このことから、電動回転機では、スキューを施すことなく、電磁騒音低減と低トルクリプルを実現する各種工夫がなされており、固定子内で回転する回転子の外周面の断面形状を花弁状にするなどして、回転子の外周面と固定子の内周面との間の隙間（エアギャップ）を、ｑ軸との交差位置で広くすることが提案されている（例えば、特許文献１、３、４）。
【００１２】
しかしながら、この特許文献１、３、４に記載の電動回転機にあっては、回転子の永久磁石が構成する磁極側において、励磁軸となるｑ軸でのエアギャップが広くなることにより磁気抵抗が増加し、突極比やトルクの低下と共に効率悪化を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００８− ９９４１８号公報
【特許文献２】特開２００６−３０４５４６号公報
【特許文献３】特開２０００−１９７２９２号公報
【特許文献４】特開２００７−３１２５９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、本発明は、トルクの低下などを招くことなく、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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、該１磁極が前記１組のスロットに対して相対移動する際の前記ティース部毎に対応するトルクの変動を、当該ティース部毎の内周面と前記回転子の外周面との間の磁気抵抗を変化させて調整することを特徴とするものである。
【００１６】
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、前記ティース部は、隣接する１歯毎に長短２種の長さが交互に連続するように形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
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組の永久磁石を埋め込んで前記１磁極が構成され、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、前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記第２ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の前記対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄとが、０．１≦ｄ／Ｄ１≦０．３の範囲内になるように当該第１、第２ティース部が形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明の態様によれば、固定子側のコイルに通電することより生成される磁束がその固定子側のティース部から対面する回転子側に通過することにより相対回転する際のトルク変動が、１磁極に対して対面するティース部毎の回転子側との間の磁気抵抗が変化されて調整される。したがって、ティース部毎の磁束が回転子側に通過するために生じるトルク変動を容易に調整することができ、例えば、トルク変動を小さくして回転子の回転時に生じるトルクリプルを低減することができる。この結果、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。
【００１９】
本発明の上記の第２の態様によれば、長短２種の長さのティース部が１歯毎に交互に連続するように形成される。したがって、トルクリプルなどを効果的に低減して、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。
【００２０】
本発明の上記の第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、長めの第１ティース部よりも縮小されることにより拡大された短めの第２ティース部の回転子に対する対面間隔Ｄ２の拡大幅ｄがその第１ティース部の回転子に対する対面間隔Ｄ１に対する比率が０．１〜０．３程度になるように調整される。したがって、トルクリプルなどを当該構造においても効果的に低減して、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。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図であり、その基本構造を示す平面図である。
【図２】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。
【図３】本発明の課題の解決を説明する磁束波形のグラフである。
【図４】本発明の課題の解決を説明するトルク波形のグラフである。
【図５】その一実施形態の構成条件を示す平面図である。
【図６】その一実施形態の構成条件をモデル化した一部拡大平面図である。
【図７】その構成の条件決定を説明するグラフである。
【図８】その構成による効果を検証するグラフである。
【図９】その構成による効果を検証する図８と異なるグラフである。
【図１０】その構成による効果を検証する図８、図９と異なるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
図１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。
【００２４】
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（不図示）を構成する３相巻線が分布巻により巻付形成されている。
【００２５】
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と、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）とを形成する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の間には、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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
ここで、この電動回転機１０は、図２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。
【００２９】
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３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３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。
【００３０】
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。
【数１】
【００３１】
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。
【数２】
【００３２】
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。
【００３３】
詳細には、角速度ωｍ、ＵＶＷの各相誘起電圧Ｅｕ(t)、Ｅｖ(t)、Ｅｗ(t)、ＵＶＷの各相電流Ｉｕ(t)、Ｉｖ(t)、Ｉｗ(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。
【００３４】
Ｐ(t)＝Ｅｕ(t)Ｉｕ(t)＋Ｅｖ(t)Ｉｖ(t)＋Ｅｗ(t)Ｉｗ(t)＝ωｍ・τ(t) ……(4)
【００３５】
τ(t)＝[Ｅｕ(t)Ｉｕ(t)＋Ｅｖ(t)Ｉｖ(t)＋Ｅｗ(t)Ｉｗ(t)]／ωｍ ……（5）
【００３６】
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Ｅｕ(t)を次式（６）、Ｕ相電流Ｉｕ(t)を次式（７）と置くと、Ｕ相トルクτｕ(t)は次式（８）のように表すことができる。
【数３】
【００３７】
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Ｅｕ(t)、Ｕ相電流Ｉｕ(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、
【００３８】
６ｆ＝ｎ±ｍ（ｆ：自然数）、ｓ＝ｎαｎ＋ｍβｍ、ｔ＝ｎαｎ−ｍβｍ
と、置くと、次式（９）のように表すことができる。
【数４】
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
この電動回転機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り、電気角の１周期内においては、スロットオープン（コイルの挿入口となるステータティース１５の先端間の隙間）の空気における低い磁束の透磁率により磁気抵抗が１２箇所で大となる。この１２箇所のスロット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。この１１次、１３次の空間高調波ｎは、一般にスロット高調波といって、例えば、永久磁石１６の軸方向における設置位置に応じて軸心を中心に捩じったスキュー角を持たせることにより、スロット１８における磁気抵抗のタイミングをずらして、１１次と１３次を低減することができる。また、この回転子１２側のスキューを避ける場合には、例えば、スロット１８のスロットオープン箇所にコイル挿入後に電磁鋼板の杭などを入れたり、そのスロットオープン幅を狭めることで磁気抵抗を低減してスロット高調波を抑制したり、また、モータ制御上で逆位相の高調波を注入するなどのスロット高調波を低減するような制御を行うなど、各種の方式が存在する。このように、１１次、１３次の空間高調波ｎは、容易に低減することができる。
【００４２】
しかしながら、３相のＩＰＭ構造の場合には、図３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。
【００４３】
そこで、上記の３相のＩＰＭモータでは、図４に示すように、電気角１周期分のトルク波形のシミュレーションをして確認したところ、最大トルクＡと最小トルクＢが６回繰り返される脈動が発生することが分かる。その最大トルクＡと最小トルクＢの発生タイミングにおける磁束密度分布の確認をしたところ、最小トルクＢの発生タイミングでは、ステータティース１５毎の磁束密度の高低（粗密）差が大きく、その差に応じた空間高調波が重畳してトルクリプル増加の要因となっていることが分かる。
【００４４】
この最小トルクＢの発生タイミングＢ１〜Ｂ６における磁束密度分布は、半周期分に対応する範囲内で１つのステータティース１５の磁束密度が他よりも大きく高くなっており、図５には電気角１周期分のみ図示しているが、その磁束密度の高くなるステータティース１５が半周期毎に重なる１歯置きになっている。このステータティース１５における磁束密度の高低（粗密）差に応じた空間高調波の重畳によりトルクリプル増加が発生していることが分かる。なお、電気角１周期分（３６０°）は、回転子１２の外周面１２ａ側に対面する一対の永久磁石１６のＮ極・Ｓ極分に、言い換えると、１磁極（フラックスバリア１７ｂを含む一対の永久磁石１６毎）の回転中心に対する開口角度θ１の２倍に相当する。この電動回転機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周期に相当する。
【００４５】
このことから、電動回転機１０では、図６に示すように、上記の最小トルクＢの発生タイミングＢ１〜Ｂ６において磁束密度が高くなるステータティース１５に対応するように、１歯毎のステータティース１５の長さを短くしてその内周面１５ａと回転子１２の外周面１２ａとの間のエアギャップＧの隙間間隔ｘを調整している。例えば、短めのステータティース（第２ティース部）１５Ｓは、その隙間間隔ｘＳ（Ｄ２）を長めのステータティース（第１ティース部）１５Ｌの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）よりも大きく拡大して（拡大幅ｄ）磁気抵抗を高くすることにより磁束密度を低減している。言い換えると、ステータティース１５は、長短の２種の長さに形成されて隣接する１歯毎に交互に連続するように形成されている。
【００４６】
また、この短ステータティース１５Ｓの長さは、長ステータティース１５Ｌに対する縮小割合（対面間隔の拡大割合）を有限要素法による電磁界解析を行って決定しており、長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａが回転子１２の外周面１２ａより離隔するエアギャップＧの隙間間隔ｘＬからの拡大幅（ｄ＝ｘＳ−ｘＬ）を用いて、その比率であるδ（ｄ／ｘＬ）をパラメータとして最適条件を決定し形成されている。
【００４７】
この有限要素法による電磁界解析では、ステータティース１５の長さの未調整時に対するトルク比率やそのトルクに重畳する６次、１２次の高調波トルク比率を導出すると、図７のグラフに示すような結果が得られる。この図７のグラフでは、δ＝０を基準にして、１０％未満では高調波トルクの低減に効果を見出すことができず、また、４０％以上になると、６次の高周波トルクの低減効果がなくなって、さらに、３０％を超えると、１２次の高調波トルクが上昇してしまうとともに、発生トルク自体が低下してしまう。
【００４８】
すなわち、長ステータティース１５のエアギャップＧの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）に対する短ステータティース１５Ｓの隙間間隔ｘＳの拡大幅（短ステータティース１５Ｓの長ステータティース１５Ｌからの縮小幅）ｄの比率δ（ｄ／Ｄ）は、次の条件１程度の範囲内に収めることによりトルクを大きく低下させることなく、６次の高調波トルクの低減という効果を得ることができ、また、次の条件２程度の範囲内に狭めることによりその６次の高調波トルクをより低減することができ、さらに、次の条件３の範囲内に絞ることにより６次の高調波トルクをより効果的に低減することができる。
条件１：１０％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
条件２：２０％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
条件３：２５％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
【００４９】
この電動回転機１０では、例えば、上記の条件３の範囲内になるように固定子１１の短ステータティース１５Ｓの長さを調整することにより、図８に示すように、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合よりも、誘起電圧に重畳する特に６次の高調波トルクの要因となる５次、７次の空間高調波の含有率を低減することができ、１２次の高調波トルクよりも低減の難しい６次の高調波トルクを効果的に低減できることが分かる。
【００５０】
同様に、この電動回転機１０では、図９に示すように、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合に、短期にトルクが大きく急激に変動するためにドライバなどが不快に感じるトルクリプルを、トルクの最大・最小に影響を与えることなく抑制することができ、緩やかな変動の安定したトルク出力に調整できることが分かる。
【００５１】
また、この電動回転機１０では、図１０に示すように、トルク波形のフーリエ級数の展開を行って確認しても、高調波トルクの１２次成分は変わらないにしても、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合よりも、その１２次成分よりも低減の難しい６次成分を低減できることが分かる。
【００５２】
したがって、この電動回転機１０では、固定子１１のステータティース１５の長さを調整していない場合には、特に６次の高周波トルクがトルク波形に重畳してしまうことを抑制することができないのに対して、１歯置きに、１０％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％の範囲内になるように、好ましくは、２０％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％、より好ましくは、２５％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％の条件を満たす短ステータティース１５Ｓが配置されるように形成するだけで、トルクリプルを効果的に低減することができる。
【００５３】
このように本実施形態においては、固定子１１のステータティース１５として、長ステータティース１５Ｌの隙間間隔ｘＬよりも拡大率δ（ｄ／ｘＬ）＝１０％〜３０％の範囲内で拡大した隙間間隔ｘＳになるように短く形成した短ステータティース１５Ｓを１歯置きに備えている。これにより、トルク波形に重畳する６次の高調波トルクを低減してトルクリプルを抑えることができ、トルクの変動を小さくすることができる。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回転駆動させることができる。
【００５４】
ここで、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す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。
【００５５】
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、１磁極１対が１周期（３６０°）に対応する角度を電気角として説明するが、これに限るものではなく、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。
【００５６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 電動回転機
１１ 固定子
１２ 回転子
１２ａ 外周面
１３ 回転軸
１５ ステータティース
１５ａ 内周面
１５Ｌ 長ステータティース
１５Ｓ 短ステータティース
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
Ｇ エアギャップ
ｘＬ、ｘＳ 隙間間隔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該１磁極が前記１組のスロットに対して相対移動する際の前記ティース部毎に対応するトルクの変動を、当該ティース部毎の内周面と前記回転子の外周面との間の磁気抵抗を変化させて調整することを特徴とする電動回転機。
【請求項２】
前記ティース部は、隣接する１歯毎に長短２種の長さが交互に連続するように形成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。
【請求項３】
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組の永久磁石を埋め込んで前記１磁極が構成され、
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、
前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、
前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記第２ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の前記対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄとが、
０．１≦ｄ／Ｄ１≦０．３
の範囲内になるように当該第１、第２ティース部が形成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。
【請求項１】
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、該１磁極が前記１組のスロットに対して相対移動する際の前記ティース部毎に対応するトルクの変動を、当該ティース部毎の内周面と前記回転子の外周面との間の磁気抵抗を変化させて調整することを特徴とする電動回転機。
【請求項２】
前記ティース部は、隣接する１歯毎に長短２種の長さが交互に連続するように形成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。
【請求項３】
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組の永久磁石を埋め込んで前記１磁極が構成され、
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、
前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、
前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記第２ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の前記対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄとが、
０．１≦ｄ／Ｄ１≦０．３
の範囲内になるように当該第１、第２ティース部が形成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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１０６４９６（Ｐ２０１３−１０６４９６Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０８７９（Ｐ２０１１−２５０８７９）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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