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【発明の名称】 永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車
【発明者】 【氏名】松延 豊

【氏名】田島 文男

【氏名】川又 昭一

【氏名】小泉 修

【氏名】小原 三四郎
【要約】 【課題】永久磁石式回転電機及びそれを用いたハイブリット電気自動車の高速回転時の効率を向上させる。

【解決手段】回転電機の正転時に回転電機が出力する最大トルクと、逆転時に回転電機が出力するトルクの比が１：１.０５〜１.２と逆転時が大きくなるように回転子の極当たりの形状を非対称とし、前進時の磁束を低減する。具体的には、正逆転時（前後進時）のトルクの比が１.０５〜１.２と逆転時（後進時）が大きくなるように永久磁石挿入穴の回転方向の幅（ａ）と永久磁石の幅（ｂ）の比を１：０.５〜０.９とする。もしくは、永久磁石挿入穴が円周方向に対し１０〜４５度（機械角）の傾斜角（θ）となるように設定する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子に回転ギャップをもって配置され複数個の永久磁石が回転子鉄心内部に周方向に配置固定された補助突極を有する回転子とを備えた永久磁石式回転電機と、該永久磁石式回転電機とエンジンとが駆動軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハイブリット電気自動車において、電気自動車の前進時に前記回転電機が出力する最大トルクと、逆転時に該回転電機が出力するトルクの比が、１：１.０５〜１.２と逆転時が大きくなるように構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項２】請求項１において、正逆時のトルクの比が１：１.０５〜１.２と逆転時が大きくなるように、前記回転子の極当りの円周方向形状を非対称としたことを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項３】請求項１または２において、前記回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴の回転方向の幅が前記永久磁石の回転方向の幅よりも長く、両者の長さの違いによって生じる空間が前記電気自動車の前進側に配置されていることを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項４】請求項１または２において、前記子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴が円周方向に対し所定の傾斜角（θ）でしかも回転電機の正転側が回転ギャップからの距離が大きくなるように設けられ、該挿入穴に前記磁石を挿入したことを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項５】請求項４において、前記傾斜角（θ）が１０〜４５度（機械角）となっていることを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項６】請求項１、２または３のいずれかにおいて、回転方向における前記永久磁石挿入穴と前記永久磁石の断面形状が長方形であることを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項７】請求項１、２または３のいずれかにおいて、回転方向における前記永久磁石挿入穴と前記永久磁石の断面形状がアーク型であることを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかにおいて、前記回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴の回転方向の幅と前記永久磁石の回転方向の幅の比が、１：０.５〜０.９となっていることを特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車に係り、特に複数個の永久磁石を回転子の周方向に埋め込んで構成される永久磁石式回転電機及びその回転電機とエンジンが駆動軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハイブリット電気自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車の動力特性は、前進１速の変速比よりも後進の方が１．０５〜１．２倍大きい。このような動力特性は、ハイブリッドを含む電気自動車であっても同様に要求されるものであり、後進の場合に最も大きなトルクを出力しなければならない。
【０００３】ところで従来、永久磁石式回転電機の出力増大を図るため、回転子の磁石形状を極当たり非対称とした永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両が知られている。その代表例として、特開平８―３３２４６号公報、特開平９―１８２３３１号公報、特開平９―２７１１５１号公報がある。
【０００４】特開平８―３３２４６号公報及び特開平９―１８２３３１号公報に記載されたものは、一方向回転に適した永久磁石式回転電機を提供すべく、磁石間に漏れ磁束防止用打抜穴を設け、かつ回転子鉄心内部に設ける永久磁石挿入穴を円周方向に対し所定の傾斜角を持たせたり、あるいは永久磁石を回転（正転）方向に偏って配置したものであり、それぞれ総磁束量の増大、リラクタンス・トルクの利用により出力の増大を図ったものである。
【０００５】また特開平９―２７１１５１号公報記載のものは、磁石挿入孔を長くし、永久磁石を偏って配置することによりトルク増大を図った電動車両用永久磁石式回転電機である。さらに電気自動車用永久磁石式回転電機の従来例としては、特開平９―２６１９０１号公報記載のものがある。この技術は、漏洩磁束の低減を図るべく、永久磁石の配置を回転子の中心からの距離で特定したものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技術のうち、まず前者の「永久磁石が極当たり非対称」のものでは、トルク増大を図ることは可能であっても、いずれも回転（正転）方向の磁束を強めることを意図とするもので、一方向回転に適した回転電機を対象とするものである。また後者の「永久磁石が極当たり対称」のものは、当然のことながら、前進（正転）と後進（逆転）時の動力特性は同じであり、従って、前進時に本来必要なトルクの１.０５〜１.２倍（後進時と同じトルク）を出力可能な回転電機とならざるを得ない。不要な高トルクを出力する見返りとして、磁束量が多いため、高速回転時の弱め界磁電流が増加し効率を低下させる。
【０００７】特に、永久磁石式回転電機とエンジンが駆動軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハイブリット電気自動車においては、前進時にはエンジンのトルクが加わるため、前進トルクは高トルクである必要がない。また、駆動軸に回転電機とエンジンが直列に接続されているため、回転電機の回転数はエンジンと同じとなり、高速回転時に高効率としなければ燃費が低下する。
【０００８】一方、後進時は前後進切換えギアを持たないため、回転電機のみで前進時の１.０５〜１.２倍の高トルクが必要となる。なお、後進時にはエンジンと回転電機がクラッチで切り離されているため、高回転となることはない。
【０００９】本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、回転電機の正転時に回転電機が出力する最大トルクよりも逆転時のトルクが大きくなるようにした永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車を提供することを目的とする。
【００１０】また本発明は、回転電機とエンジンが駆動軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハイブリット電気自動車において、ハイブリット電気自動車の前進（回転電機の正転）時に回転電機が出力する最大トルクよりも、後進（逆転）時に回転電機が出力するトルクが大きくなる永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車において、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子に回転ギャップをもって配置され、複数個の永久磁石が回転子鉄心内部に周方向に配置固定された回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、回転電機の正転時に回転電機が出力する最大トルクと、逆転時に回転電機が出力するトルクの比が１：１.０５〜１.２と逆転時が大きくなるようにしたことを特徴とする。
【００１２】また、上記永久磁石式回転電機において、好ましくは正逆時のトルクの比が１：１.０５〜１.２と逆転時が大きくなるように回転子の極当りの形状を非対称としたことを特徴とする。
【００１３】また本発明は、好ましくは、回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴の回転方向の幅が永久磁石の幅よりも長く、両者の長さの違いによって生じる空間が回転電機の正転側に配置されていることを特徴とする。
【００１４】また本発明は、好ましくは、漏れ磁束防止用打抜穴を持たない回転子を備え、かつ回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴が円周方向に対し所定の傾斜角で、しかも回転電機の正転側が回転ギャップからの距離が大きくなるように設けられ、この挿入穴に永久磁石を挿入したことを特徴とする。
【００１５】また本発明は、好ましくは、永久磁石挿入穴と永久磁石の断面形状が長方形であることを特徴とする。
【００１６】また本発明は、好ましくは、永久磁石挿入穴と永久磁石の断面形状がアーク型であることを特徴とする。
【００１７】また本発明は、好ましくは、回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴の回転方向の幅と永久磁石の幅の比が１：０.５〜０.９となっていることを特徴とする。
【００１８】また本発明は、好ましくは、鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴が円周方向に対し所定の傾斜角（θ）＝１０〜４５度（機械角）となっていることを特徴とする。
【００１９】さらに本発明は上記目的を達成するために、回転電機とエンジンとが駆動軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハイブリット電気自動車において、回転電機が上記各特徴を有する永久磁石式回転電機であることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用した第１実施例につき、１ポールペアを示した図１を参照して説明する。まず、図１において固定子１は従来構成と同一であり、ほぼ環状をなす固定子鉄心２に形成された４８個のスロット３にＵ相の固定子巻線Ｕ１、及びＶ相の固定子巻線Ｖ１、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ１を挿入配置して構成されている。固定子鉄心の内周部には、各スロットに対応して開口部４が形成されている。
【００２１】これに対して、回転子６は、固定子１に回転ギャップをもって配置され複数個の永久磁石が回転子鉄心内部に周方向に配置固定された補助突極を有する構造である。すなわち、回転子６は、回転軸９に回転子鉄心７を嵌合固着し、この回転子鉄心７の外周部周方向に形成された回転方向の幅（ａ）の長方形状の打抜穴に、回転方向の幅（ｂ）の例えばネオジム製の永久磁石８を各収納部にＮ極とＳ極等が交互になるように軸方向から挿入して組込むことによって構成される。また回転子６は固定子１の内部に固定子鉄心２の内周部と所定の回転ギャップ５を有する状態で回転可能に配置されている。なお、回転子鉄心７は収納部形成用の孔が形成された硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。
【００２２】ここで、打抜穴の回転方向の幅（ａ）は永久磁石の回転方向の幅（ｂ）より長く、（ａ）と（ｂ）の長さの違いによって生じる空間１０は正転方向、つまりハイブリット電気自動車の前進方向に配置されている。この場合回転子が極当たり非対称となるため、正転と逆転の場合に最大トルクに差が生じ、空間１０がある正転の場合が低トルクで、逆転の場合が高トルクとなる。また、正転と逆転のトルク比はａとｂの比によって定まり、ｂ／ａ＝１（即ち打抜穴と磁石幅が等しく、空間１０が存在しない場合）、ｂ／ａ＝０（即ち磁石が無く、空間のみの場合、所謂リラクタンストルクモータ）の何れも極当たり対称なので正転と逆転のトルクは等しい。一方、ｂ／ａ＝０.５（永久磁石と空間１０の幅が等しい場合）は最も極当たり非対称となるので正転と逆転のトルク比が最大となる。
【００２３】図２に、出力６０kWの回転電機において、ｂ／ａ＝０.８５の場合の磁場解析結果を示し、図３に、図２の回転電機においてＰ１からＰ２迄の回転ギャップの磁束密度分布を示す。図３より、正転方向の磁束密度が低く、逆転方向の磁束密度が高いことから、正転トルクよりも逆転トルクの方が大きいことが判る。
【００２４】また、図２に示した回転電機においてｂ／ａを変化させた場合の前進トルクと後進トルクを図４に示し、図５に、前後進トルク比（後進トルク／前進トルク）とｂ／ａの関係を示す。
【００２５】図４より、ｂ／ａ＝１の場合が前後進とも最もトルクが大きく、小さくなるにしたがってトルクは減少し、ｂ／ａ＝０の場合が最も小さい。しかし、ｂ／ａ＞０.５においては、後進トルクは前進トルクよりも減少度合いが小さい。図５より、前後進トルク比を１.０５〜１.２とするためには、ｂ／ａを０.５〜０.９とすればよいことが判る。単にトルク比を１.０５〜１.２とするのみであればｂ／ａが０.１５〜０.５でもよいが、その場合は図４より明らかなようにトルクが低くなりすぎるので不適である。
【００２６】ここで、本発明の対象であるハイブリット電気自動車の構成の一例を、図６に示す。駆動システムは主にエンジン３０、電気自動車駆動用のモータ３１、エンジンにより駆動されバッテリー充電などに用いられる発電機３２、インバータ/コンバータ３３、バッテリー３４、駆動軸３７、変速ギア（例えばCVT）３５、及びクラッチ３６より成る。なお、駆動モータ３１は減速時には回生用の発電機として機能するので、回転電機と呼ぶ場合もある。このハイブリット電気自動車では、エンジン３０、クラッチ３６、回転電機（駆動用モータ）３１、変速ギア３５、駆動軸３７が直列に接続されており、かつ変速ギア３５は前後進切換ギアを持たない構成となっている。
【００２７】各々の走行モードにおける動作は、(１)停止時：エンジンは停止、クラッチOFF、モータはアイドル状態（但し、バッテリーの充電量が少ない場合は、エンジンを駆動し回転電機を発電機として回転させてバッテリーに充電される）
(２)低速走行時：エンジンは停止、クラッチOFF、モータ駆動（但し、バッテリーの充電量が少ない場合は、エンジンを駆動し発電機を回してバッテリーに充電される）
(３)中高速走行時：エンジン駆動、クラッチON、モータ連れ回り(出力はなし)(４)高速加速時：エンジン駆動、クラッチON、モータ駆動(５)減速時：エンジン惰性回転、クラッチON、モータ回生（発電機で回生しても良い）
(６)後進時：エンジンは停止、クラッチOFF、モータ駆動（但し、バッテリーが少ない場合は、エンジンを駆動し発電機を回してバッテリーに充電される）である。
【００２８】後進時はモータのみでの駆動となるため、後進時のモータトルクは大きい。一方、低速走行時はモータのみでの走行であるが、トルク不足の場合はクラッチをONとしてエンジン駆動を行い、不足トルクを補うことが容易である。
【００２９】低速側のみを考えると、従来のｂ／ａ＝１のモータでも十分であるが、HEV(Hybrid Electric Vehicle)走行モードの(３)(４)において、モータは中高速回転時においても駆動、もしくは連れ回りとなる。この場合、磁石の磁束が大きいと、鉄損が大きくなり、また、磁束量を押さえるため弱め界磁電流が増大し、性能が低下する。
【００３０】本発明による永久磁石式回転電機であれば、後進側のトルクを確保し、前進側の低速回転時の不足トルクはエンジンによる助けで補い、中高速時の磁束量を低減することにより、中高速時の効率などの性能を向上することが可能で、HEVに適した駆動システムとすることができる。
【００３１】本発明（ｂ／ａ＝０.９）と従来（ｂ／ａ＝１）の場合のモータトルクを図７に示す。この例では、本発明は従来例と比較して、回転数を約１割向上でき、高速側のモータ効率を従来の９０％から本発明の９１％と約１％向上できる。
【００３２】本発明の汎用性を検証するため、出力２０kWの１６極機の回転電機において、同様の検証を行った。図８にｂ／ａ＝０.９の場合の磁場解析結果を、図９に図８の回転電機においてｂ／ａを変化させた場合の前後進トルク比（後進トルク／前進トルク）とｂ／ａの関係（但し０.５〜１迄）を示す。図９より１６極機においても前後進トルク比を１.０５〜１.２とするためにはｂ／ａが０.５〜０.９で有ればよいことが判る。
【００３３】また本発明においては、前後進のトルクを変えるためには、上述のように一部に空間を設ける方法以外に、回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴が円周方向に対し所定の傾斜角（θ）で、かつ回転電機及びそれを用いたハイブリット電気自動車の前進（正転）側が回転ギャップからの距離が大きくなるように設けることでも達成できる。ここで、傾斜角（θ）は、永久磁石の中央（回転方向）における接線に対する傾斜角度を言う。
【００３４】本発明の第２の実施例として、出力６０kWの８極機の回転電機において、θ＝１０度（機械角）の場合の磁場解析結果を図１０に示し、図１１に図１０の回転電機においてＰ１からＰ２迄の回転ギャップの磁束密度分布を示す。図１１から明らかのように、正転方向の磁束密度が低く、逆転方向の磁束密度が高いことから、この場合においても正転トルクよりも逆転トルクの方が大きいことが判る。機械角が０の場合もしくは９０度の場合は、極当たりの対称性が有るのでトルクの比は１となる。一方４５度の場合は最も非対称となるのでトルクの比が最も大きくなる。
【００３５】図１２に傾斜角（θ）と前後進トルク比を示す。図１２から明らかのようにθを１０〜４５度とすると、前後進トルク比を１.０５〜１.２とすることができる。
【００３６】また本発明においては、磁石の形状が第１実施例で示した長方形に限らず、アーク形等色々な形状で成り立つ。また、永久磁石８はネオジム磁石以外でも良く、永久磁石の個数（極数）は８極や１６極以外でも良く、固定子のスロット数も４８個以外でも良い。なお、内転型に限らず、外転型でも成り立つ。
【００３７】
【発明の効果】本発明によれば、正転（前進）時に回転電機が出力する最大トルクと、逆転（後進）時に回転電機が出力するトルクの比が１：１.０５〜１.２と後進が大きくなるため、正転（前進）時の不要トルク（磁束）を低減して高速時の効率を向上することができ、ひいては燃費を向上することができる。また、後進時に所定のトルクを出力可能な小型軽量高効率のハイブリット電気自動車を提供することができる。
【００３８】また、高速回転時の磁束を低減することより鉄損を減らすことが可能なので、低鉄損鉄板を用いる必要がなくなり、コスト低減が可能となる。なお、第１実施例のように空間を用いて非対称とするものは磁石量も低減することができるので、磁石のコストを低減することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【出願日】 平成１２年３月２日（２０００．３．２）
【代理人】 【識別番号】１０００７４６３１
【弁理士】
【氏名又は名称】高田 幸彦 （外１名）
【公開番号】 特開２００１−２５１７０３（Ｐ２００１−２５１７０３Ａ）
【公開日】 平成１３年９月１４日（２００１．９．１４）
【出願番号】 特願２０００−６１８９０（Ｐ２０００−６１８９０）