JP5877968B2 - 高出力密度、高効率、非永久磁石の電気機械 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に、高い出力密度を有する電気機械に関し、より具体的には、効率が高く、安価な、非永久磁石電気機械に関する。

長い間、さまざまな用途、特にハイブリッド車および／または電気自動車の牽引用に、高い出力密度と高い効率を兼ね備える電気機械（すなわち、モータおよび発電機）が広く求められている。エネルギーの供給および環境上の理由から、効率も信頼性も高く、しかも平均的な消費者にとって手頃な価格のハイブリッド車および／または電気自動車を生産する意欲が高まってきている。しかし、ハイブリッド車および電気自動車に利用可能な駆動モータ技術は、一般的に、法外なコストを必要としており、そのため、消費者にとっての値頃感または製造者の収益性の一方（または両方）が低下することになる。

大半の市販のハイブリッド車および電気自動車は、牽引用に埋込構造永久磁石（ＩＰＭ）電気機械に依存しているが、それは、ＩＰＭ機械が、広い速度範囲にわたって高い出力密度と高い効率を有することが判明しており、また前輪駆動車に容易にパッケージングできるからである。しかし、そのような高い出力密度を得るために、ＩＰＭ機械では高価な焼結高エネルギー積磁石（ｓｉｎｔｅｒｅｄ ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ−ｐｒｏｄｕｃｔ ｍａｇｎｅｔ）を使用しなければならない。さらに、ＩＰＭ機械は、最適な出力密度を得るために高速（例えば、１４，０００ｒｐｍ）運転し、この高速運転の結果として、高い逆電磁場（ＥＭＦ）が生じる。このような高い逆ＥＭＦがあると、高電圧インバータデバイスを使用する必要があり、その結果、システム全体のコストがさらに増大する。

ＩＰＭ機械は、高速運転に敏感な、複雑な回転子および固定子の設計をも必要とし、そのため、その製造がいっそう複雑になり、またコストも増大する。例えば、ＩＰＭ機械の固定子は、一般的に、より高いスロット充填量（ｓｌｏｔ ｆｉｌｌ）のために、三相分布巻線またはヘアピン角線を使用する。従来の自動巻線機を使用した場合、これらの巻線の生産コストは高いものとなる。専用自動巻線機ステーションを開発してそのような巻線を生産することも可能であるが、そのような工具のカスタマイズもまたきわめてコストが高いものとなる。また、分布巻コイルは、コイルが巻き付けられる固定子鉄心を越えて延在し、電気自動車および／またはハイブリッド車における状況など、厳しいパッケージング状況で使用するには不利となり得る。

さらに、ＩＰＭ機械の回転子は、通常、磁石を挿入できるように１つまたは複数の層状の切り欠きを有し、これにより、磁石と回転子の外面との間に細いブリッジ部が残される。これらの細いブリッジ部があるため機械的結合が弱められ、回転子が高速動作するときに強い遠心力により問題が生じる可能性がある。

ＩＰＭ機械は、高い出力密度と高い効率を達成するために固定子と回転子との間に小さな空隙（すなわち、０．０２〜０．０３インチ）をも必要とする。小さな空隙が必要であるということは、固定子と回転子を共に、より厳しい許容範囲に収まるように製造されなければならないことを意味し、したがって、製作の複雑度が増し、コストも増大する。

ＩＰＭ機械を使用する上での他の欠点は、高い出力密度を達成する場合に回転子内に焼結磁石を使用する必要があるという点である。これらの焼結磁石は接合できず、磁化されていない回転子の溝内に挿入しなければならず、その後、磁石は接着剤で接着され、組み立てられた回転子のバランスがとられる。次いで、回転子を固定子内に「落とし込み」、ＩＰＭを組み立て、その後、専用の磁化固定器を使用して磁石を個別に磁化する。回転子製作のこのプロセスは、容易に自動化できず、ここでもまた、ＩＰＭ機械を製造する全体的コストが増大する。

少なくとも上記の理由から、ＩＰＭ機械を製造し保守するコストが高いものとなるため、ハイブリッド車および電気自動車の商業化も、また電動モータ技術を一般に採用することも制限されている。

コスト効率が高く保守の手間がかからないハイブリッド車および電気自動車の技術に対する要求に応えるために、新しい電池およびインバータ技術を開発する多大な努力が払われている。しかし、上記で明らかなように、ハイブリッドおよび電気駆動の技術が完全に市販される前に、改善された費用効果の高い駆動モータの技術が依然として非常に求められている。

米国特許第４４５９５０２号公報

したがって、高い出力密度、高い効率、および比較的低いコストを特徴とする非永久磁石電気機械を実現することが望ましい。

本発明は、回転子および固定子を備える電気機械を対象とし、固定子は２組の端子を有する分数スロット集中巻線（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ−ｓｌｏｔ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｗｉｎｄｉｎｇ）を備え、第１の組の端子は、第１の極数（Ｐ１）を有するように分数スロット集中巻線を構成し、第２の組の端子は、第１の極数（Ｐ１）と異なる第２の極数（Ｐ２）を有するように分数スロット集中巻線を構成する。

本発明の他の態様によれば、分数スロット集中巻線を有する固定子と、分数スロット集中巻線が第１の極数（Ｐ１）を有するように分数スロット集中巻線に結合されている第１の組の端子と、分数スロット集中巻線が第２の極数（Ｐ２）を有するように分数スロット集中巻線に結合されている第２の組の端子とを備える、第２の極数（Ｐ２）が第１の極数（Ｐ１）より少ない、同期リラクタンス電気機械が示されている。同期リラクタンス電気機械は、第１の組の端子に結合されている交流（ＡＣ）電源、第２の組の端子に結合されている直流（ＤＣ）電源、および同期リラクタンス積層回転子も備える。

本発明の他の態様によれば、電気機械を製造する方法が示され、この方法は分数スロット集中巻線を有する固定子を形成する工程と、分数スロット集中巻線に結合された第１の極数（Ｐ１）を有する第１の組の端子を形成する工程と、分数スロット集中巻線に結合された第２の極数（Ｐ２）を有する第２の組の端子を形成する工程とを含む。この方法は、第１の組の端子を第１のエネルギー源に結合すること、第２の組の端子を第２のエネルギー源に結合すること、同期リラクタンス積層回転子を形成すること、および同期リラクタンス積層回転子を固定子内に配設することも含む。

さまざまな他の特徴および利点が、以下の詳細な説明および図面から明らかにされる。

図面は、本発明を実施するために現時点において考えられる実施形態を例示している。

図面の説明を以下に示す。

本発明の一実施形態による固定子の断面図である。 本発明の一実施形態による回転子の断面図である。 本発明の他の実施形態による回転子の断面図である。 本発明の一実施形態による固定子巻線構成の略図である。 本発明の一実施形態による固定子巻線構成の平面レイアウトである。

電気自動車およびハイブリッド車の牽引用途を含む、さまざまな用途で使用するための高い出力密度、高い効率、および比較的低いコストの電気機械を実現するシステムを示す。

多くの種類の電気機械が駆動モータおよび発電用に使用されているが、高速および高出力密度用（電気自動車およびハイブリッド車の牽引用途など）という選択肢は、一般に、コストおよび／または性能に関する制約条件により制限されている。すでに述べたように、多くの電気自動車およびハイブリッド車では埋込永久磁石（ＩＰＭ）電気機械を利用しているが、これらは生産コストが高く、また高速下では機械が故障する危険性もある。しかし、本の発明の実施形態は、この業界において以前から見られるコストまたは性能に関する制約を受けることなく高出力密度運転を行うために分数スロット集中巻線を備える同期リラクタンス電気機械を組み込んでいる。

図１は、本発明の一実施形態による同期リラクタンス電気機械の固定子１００の断面図を示しており、固定子１００は、単一の分数スロット集中巻線１０２を備える。固定子１００は、複数の歯１０４、複数のスロット１０６、および支持鉄領域（ｂａｃｋ ｉｒｏｎ ｒｅｇｉｏｎ）１０８を備える。図１は、１２個の歯１０４と１２個のスロット１０６を有する固定子１００を示している。固定子１００を製作する際に使用する歯１０４およびスロット１０６の数を増減することが可能であることは理解されるであろうが、広い速度範囲にわたる最適な性能と製造のしやすさは両方とも、歯１０４およびスロット１０６の個数を選択する際に考慮されなければならない。歯１０４およびスロット１０６の個数を減らして固定子１００の製作を簡素化することができるが、その結果、高速下での同期リラクタンス電気機械の性能が低下する可能性がある。

図１に示されているように、分数スロット集中巻線１０２は、歯１０４毎に３つのコイルがあるようにそれぞれの歯１０４の周りに配設されている。したがって、合計３６個のコイル（三相を表す）が固定子１００内に存在する。以下でさらに詳しく述べるが、分数スロット集中巻線１０２は、分数スロット集中巻線１０２に結合されている別々の２組の端子によって２つの別々の極数（Ｐ１およびＰ２）が可能になるように構成される。このようにして、単一の独自の分数スロット集中巻線１０２を有する同期リラクタンス電気機械では、一方の極数（すなわち、Ｐ１）に対してはＡＣ励起を、他方の極数（すなわち、Ｐ２）に対してはＤＣ励起を使用できる。

次に、図２Ａおよび２Ｂを参照すると、そこには、本発明の実施形態による２つの別々の同期リラクタンス回転子構成が示されている。同期リラクタンス回転子は、鋼鉄積層板（より高い出力密度用）または軟磁性材料（中程度の出力密度用）で製作することができる。

最初に、図２Ａを参照すると、本発明の一実施形態による軸方向積層同期リラクタンス回転子２００が示されている。すべての同期リラクタンス電気機械と同様に、回転子２００は、図１に示されている固定子１００の軸方向開口部内に配設されるサイズおよび構成をとる。回転子２００は、複数の回転子極２０２を有する同期リラクタンス積層回転子である。回転子２００は、複数の空隙２０６によって隔てられている複数の軸方向積層板２０４を備える。同期リラクタンス電気機械では典型的なことであるが、トルクリップルが最小になるように、また回転子極と固定子極の同時アライメントが行われないように、回転子極２０２の数は固定子極の数より少ない。本発明の一実施形態では、回転子の極数（Ｐ３）は、式
Ｐ３＝（Ｐ１＋Ｐ２）／２ （式１）
によって決定することができる。

そこで、固定子の第１の極数（Ｐ１）が１２であり、固定子の第２の極数（Ｐ２）が１０である場合、回転子２００の突出極の数（Ｐ３）は１１に等しくなる。図２Ａは、本発明の一実施形態による、回転子極２０２の数が１１である回転子２００を例示している。式１に基づく回転子極２０２の数の決定は、同期リラクタンス電気機械の低速用途（例えば、５０００ｒｐｍ以下）には理想的なものである。

他方、高速用途（例えば、５０００から１５，０００ｒｐｍ）については、回転子の理想的な極数（Ｐ３）は、式
Ｐ３＝（Ｐ１−Ｐ２）／２ （式２）
によって決定することができることがわかっている。

このような高速用途では、固定子の極数（Ｐ１およびＰ２）は、一般的に、それぞれ、１２および１０より大きく、そのため、固定子の極数は多いが、回転子の極数は比較的少ない。固定子と回転子との間の極数にこのような違いがあるので、固定子の支持鉄をかなり減らすことができ、延いては、電気機械全体の体積および重量を低減することができる。

図２Ｂでは、図２Ａに示されている軸方向積層回転子２００の代わりに、本発明の他の実施形態による同期リラクタンス回転子２１０を示している。同期リラクタンス回転子２１０は、複数の回転子積層板２１２を回転子２１０の長さにそって軸方向に配設し、回転子の極数が画定されるようにそれぞれの回転子積層板２１２内に間欠的な空隙２１４を設けた、従来の同期リラクタンス回転子として構成される。図２Ａに示されている回転子２００と同様に、図２Ｂは、本発明の一実施形態による、回転子極の数が１１である回転子２１０を例示している。回転子の極数の決定は、ここでもまた、上で述べた式１または式２のいずれかに基づいて行うことができ、回転子極の数を増減することが可能であることも理解されるであろう。

回転子２００と回転子２１０は両方とも、巻線、磁石、ブラシ、またはスリップリングなしで構築されるので、このような回転子を製造する際のコストと複雑度は、特に他の種類の電気機械（例えば、ＩＰＭ電気機械）で使用される回転子と比べたときに、大幅に低減される。さらに、回転子２００および２１０は、好ましくは積層回転子であるため、比較的大口径のものを、高速用途で運転可能なように設計することができる。このような構造にすることで、同期リラクタンス電気機械の効率を高めるとともに、ＩＰＭ電気機械で使用される回転子に内在する構造的制限を回避できる。

図３を参照すると、略図３００には、本発明の一実施形態による固定子集中巻線構成が示されている。略図３００は、単一の集中巻線（すなわち、図１にされている集中巻線１０２）に対する２つの平衡Ｙ接続３０２、３０４を示しており、それぞれのＹ接続３０２、３０４は異なる極数を表している。集中巻線は、端子３０６、３０８、３１０に関して第１の極数（Ｐ１）を形成するように巻かれる。図３の第１の極数（Ｐ１）は、１２極であると示されているが、第１の極数（Ｐ１）は、大きくも小さくもできることは理解されるであろう。交流（ＡＣ）電源３１２が端子３０６、３０８、３１０に結合されており、集中巻線の１２個の極に対し三相ＡＣ励起を発生する。

同じ集中巻線は、Ｙ接続３０４に関して第２の組の端子に含まれる３つの追加端子３１４、３１６、３１８も有する。この第２の組の端子は、固定子の分数スロット集中巻線に対する第２の極数（Ｐ２）を形成する。第２の極数（Ｐ２）は、図３では１０個の極であるものとして示されているが、第２の極数（Ｐ２）は、第１の極数（Ｐ１）のように、本発明の実施形態により大きくも小さくもできる。３つの端子３１４、３１６、３１８が示されているが、端子３１６および３１８は、点３２０のところに一緒に接続されている。このような接続では、直流（ＤＣ）電源３２２が端子３１４および点３２０に結合されており、集中巻線の１０個の極に対しＤＣ励起を発生する。

ＡＣ電源３１２およびＤＣ電源３２２は、コントローラ３２４にさらに結合することができ、コントローラ３２４は、ＡＣ電源３１２とＤＣ電源３２２の両方のタイミングおよび動作を制御するように構成されている。例えば、電気機械の初期加速時にはＡＣ電源３１２のみを使用し、電気機械が同期速度に近づいたらＤＣ電源３２２を使用することができる。所定の時点において必要なトルクに応じて、同期動作のため、または２つの異なる周波数により、これら２組の端子に可変ＡＣおよびＤＣ電圧を供給するかどうかを決定するようにコントローラ３２４を構成する。

図３に示されている構成を利用することによって、１２個の極に対するＡＣ励起および同じ分数スロット集中巻線の１０個の極に対するＤＣ励起を同時に行うことが可能である。したがって、それぞれの相（例えば、相Ａ、Ｂ、およびＣ）に対して、固定子の１０個の極は、ＡＣ成分とＤＣ成分の両方を有するが、２つの極はＡＣ励起のみを受ける。このようにして、高い出力密度、高い効率、および簡素化された構造を有する同期リラクタンス電気機械を実現することが可能である。

図４は、図１と図３の両方に関して上で説明されているような固定子および分数スロット集中巻線の平面レイアウト４００を示している。ここでもう一度、図示されているような固定子は、１２個の歯４０２と１２個のスロット４０４を有する。単一集中巻線４０６も図示されており、集中巻線４０６は、それぞれの歯４０２の周りに巻かれている。説明を簡単にするため、相Ａの巻線のみが図４に示されているが、相Ｂも相Ｃも巻線は適切な位相シフトでまったく同じように構成されることは理解されるであろう。

別々の２組の端子が集中巻線４０６に結合されている。相Ａの巻線の端子４０８および端子４１０（それぞれ、Ｓ_A-10およびＳ_A-12とも表される）は、集中巻線４０６上の同じ始点を共有する。しかし、他の２つの端子（４１２、４１４）は、別々の終点（それぞれ、Ｆ_A-10およびＦ_A-12とも表される）を持つ。図４を見ると容易にわかるように、端子４１２では、集中巻線４０６は１０極巻線とすることができるが、端子４１４では、同じ集中巻線４０６を１２極巻線とすることもできる。図３に関して上で説明されているように、１組の端子（すなわち、端子４１０、４１４）がＡＣ励起を受けることができるが、第２の組の端子（すなわち、端子４０８、４１２）はＤＣ励起を受けることができる。このようにして、集中巻線４０６の１０個の極は、ＤＣ成分の上にＡＣ成分を有することができ、残り２つの極は、ＡＣ成分のみを有することになる。このような構成をとることで、同期リラクタンス電気機械に伴う構造が大幅に簡素化され、コストが低減される。

本発明の上述の実施形態を利用することによって、固定子および／または回転子に永久磁石を使うことなく高出力密度、高効率、低コストの電気機械を実現することができる。すでに述べているように、ＩＰＭ機械は、最適な出力密度を得るために高速（例えば、１４，０００ｒｐｍ）運転し、この高速運転の結果として、高い逆電磁場（ＥＭＦ）が生じる。このような高い逆ＥＭＦがあると、高電圧インバータデバイスを使用する必要があり、その結果、システム全体のコストがさらに増大する。本発明の実施形態では、ＩＰＭ機械に比べて逆ＥＭＦが制御しやすいので、このように高電圧インバータデバイスが不要になるのである。したがって、本発明の実施形態を使用することで固定子および回転子の製造コストを低減できるだけでなく、高価な高電圧インバータデバイスの使用も避けることができる。

それに加えて、システムの受動的な回転子（回転子巻線、磁石、またはブラシがない）は、簡単に製作することができ、電気自動車およびハイブリッド車の用途において特に重視される高速環境による影響も受けにくい。

さらに、電気機械の同期リラクタンス動作のおかげで、多くの電気機械に信頼性問題を引き起こすことが多い、ブラシおよび／またはスリップリングが不要になる。また、すでに述べたように、分数スロット集中巻構成は、電気機械の構造を簡素化するだけでなく、電気機械の全体の体積を縮小することもでき、このため、電気機械は厳しいパッケージング状況を要求する用途（例えば、電気自動車およびハイブリッド車の牽引用途）により適したものとなる。

したがって、本発明の一実施形態によれば、電気機械は、回転子および固定子を備え、固定子は２組の端子を有する分数スロット集中巻線を備え、第１の組の端子は、第１の極数（Ｐ１）を有するように分数スロット集中巻線を構成し、第２の組の端子は、第１の極数（Ｐ１）と異なる第２の極数（Ｐ２）を有するように分数スロット集中巻線を構成する。

本発明の他の実施形態によれば、分数スロット集中巻線を有する固定子と、分数スロット集中巻線が第１の極数（Ｐ１）を有するように分数スロット集中巻線に結合されている第１の組の端子と、分数スロット集中巻線が第２の極数（Ｐ２）を有するように分数スロット集中巻線に結合されている第２の組の端子とを備える、第２の極数（Ｐ２）が第１の極数（Ｐ１）より少ない、同期リラクタンス電気機械が示されている。同期リラクタンス電気機械は、第１の組の端子に結合されている交流（ＡＣ）電源、第２の組の端子に結合されている直流（ＤＣ）電源、および同期リラクタンス積層回転子も備える。

本発明のさらに他の実施形態によれば、電気機械を製造する方法が示され、この方法は分数スロット集中巻線を有する固定子を形成する工程と、分数スロット集中巻線に結合された第１の極数（Ｐ１）を有する第１の組の端子を形成する工程と、分数スロット集中巻線に結合された第２の極数（Ｐ２）を有する第２の組の端子を形成する工程とを含む。この方法は、第１の組の端子を第１のエネルギー源に結合すること、第２の組の端子を第２のエネルギー源に結合すること、同期リラクタンス積層回転子を形成すること、および同期リラクタンス積層回転子を固定子内に配設することも含む。

本書では、いくつかの例を使用して、最良の態様を含む発明を開示し、またデバイスまたはシステムを製作し、使用すること、および組み込まれている方法を実行することを含めて、当業者が本発明を実施することができるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、請求項によって定められ、当業者であれば思い付く他の実施例を含むものとしてよい。このような他の例は、これらの例が請求項の文言と異ならない構造要素を有している場合、またはこれらの例が請求項の文言との違いがわずかしかない同等の構造要素を含む場合に、請求項の範囲内にあることが意図される。

１００ 固定子
１０２ 単一の分数スロット集中巻線
１０４ 歯
１０６ スロット
１０８ 支持鉄領域
２００ 回転子
２０２ 回転子極
２０４ 軸方向積層板
２０６ 空隙
２１０ 同期リラクタンス回転子
２１２ 回転子積層板
２１４ 空隙
３００ 略図
３０２、３０４ 平衡Ｙ接続
３０６、３０８、３１０ 端子
３１２ 交流（ＡＣ）電源
３１４、３１６、３１８ 追加端子
３２０ 点
３２２ 直流（ＤＣ）電源
３２４ コントローラ
４００ 平面レイアウト
４０２ 歯
４０４ スロット
４０６ 集中巻線
４０８ 端子
４１０ 端子
４１２、４１４ 端子

Claims (9)

1. 回転子（２００、２１０）と、
   ２組の端子が電気的に結合する単一の分数スロット集中巻線（１０２）を備える固定子（１００）であって、第１の組の端子（３０６、３０８、３１０）が、前記単一の分数スロット集中巻線（１０２）の第１の極数（Ｐ１）を有する固定子極に接続し、第２の組の端子（３１６、３１８）が、前記単一の分数スロット集中巻線（１０２）の前記第１の極数（Ｐ１）よりも少ない第２の極数（Ｐ２）を有する固定子極に接続する、固定子と
   を備える電気機械。
2. 前記第１の組の端子（３０６、３０８、３１０）に第１の電圧を供給するように構成された第１のエネルギー源（３１２）と、
   前記第２の組の端子（３１６、３１８）に第２の電圧を同時に供給するように構成された第２のエネルギー源（３２２）とを備え、
   前記第１の電圧が前記第１の組の端子（３０６、３０８、３１０）に供給されるときに、前記第１の極数（Ｐ１）が励起され、
   前記第２の電圧が前記第２の組の端子（３１６、３１８）に同時に供給されるときに、前記第１の極数（Ｐ１）の前記励起に加えて、前記第２の極数（Ｐ２）が励起される請求項１記載の電気機械。
3. 前記第１の電圧が、ＡＣ電圧であり、前記第２の電圧が、ＤＣ電圧（３１６、３１８）である請求項２記載の電気機械。
4. 前記第１の組の端子（３０６、３０８、３１０）に供給される前記第１の電圧と、前記第２の組の端子（３１６、３１８）に供給される前記第２の電圧とを制御するように構成されたコントローラ（３２４）をさらに備える請求項２または３に記載の電気機械。
5. 前記回転子（２００、２１０）が、巻線、磁石、ブラシ、またはスリップリングなしで構築される請求項１乃至４のいずれかに記載の電気機械。
6. 回転子の極数（Ｐ３）が、式
   Ｐ３＝（Ｐ１＋Ｐ２）／２
   によって決定される請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械。
7. 回転子の極数（Ｐ３）は、式
   Ｐ３＝（Ｐ１−Ｐ２）／２
   によって決定される請求項１乃至５のいずれかに記載の電気機械。
8. 前記固定子（１００）が１２個のスロットを備える請求項１乃至７のいずれかに記載の電気機械。
9. 前記第１の極数（Ｐ１）が１２であり、前記第２の極数（Ｐ２）が１０である請求項６に記載の電気機械。