特許 7442954 永久磁石同期機及びこれを備えた電動機車両

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-26

(45)【発行日】2024-03-05

(54)【発明の名称】永久磁石同期機及びこれを備えた電動機車両

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/2706 20220101AFI20240227BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20240227BHJP

   H02K 19/10 20060101ALI20240227BHJP

【ＦＩ】

H02K1/2706

H02K1/22 A

H02K19/10 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2017192422

(22)【出願日】2017-10-02

(65)【公開番号】P2019068632

(43)【公開日】2019-04-25

【審査請求日】2020-07-03

【審判番号】

【審判請求日】2022-11-24

(73)【特許権者】

【識別番号】319007240

【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】高橋 暁史

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 誠

(72)【発明者】

【氏名】杉本 愼治

【合議体】

【審判長】柿崎 拓

【審判官】八木 敬太

【審判官】長馬 望

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２１３２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０６５１０２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１１５０７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

H02K1/27

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のティースに巻回された固定子コイルを有する固定子と、永久磁石及び前記永久磁石を収容する永久磁石収容孔を周方向に複数備えた回転子とを備え、前記回転子には複数の磁極が周方向に沿って配置された永久磁石同期機において、
前記永久磁石は平板状に形成され、
周方向に延びる前記永久磁石収容孔の一辺が、１極を構成する前記永久磁石の磁極中心軸に対して直交するように形成され、
前記永久磁石の径方向外側面と前記回転子の外周端部とで構成され、前記永久磁石の開き角τｍで切り取られる部分のコア外周部の断面積は、前記永久磁石収容孔の断面積よりも小さくなるよう構成され、
前記磁極の開き角τｐと前記永久磁石の開き角τｍとの比τｍ／τｐが式（１）を満足し、かつ、前記永久磁石による固定子コイル鎖交磁束Ψｐと、電流Ｉ(Arms)通電時の直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑと、を用いて式（２）によって定義されるリラクタンストルク比αが、０．６０以上としたことを特徴とする永久磁石同期機。

【数1】

【数2】

【請求項2】

請求項１において、
前記永久磁石は一つの前記永久磁石収容孔内で複数個に分割されて配置されたことを特徴とする永久磁石同期機。

【請求項3】

請求項１において、
前記永久磁石の残留磁束密度は０．６Ｔ以上であることを特徴とする永久磁石同期機。

【請求項4】

請求項３において、
前記永久磁石はネオジム磁石であることを特徴とする永久磁石同期機。

【請求項5】

複数の車輪と、前記複数の車輪のうち、少なくとも一つの車輪を駆動する永久磁石同期機と、電力を変換して前記永久磁石同期機に交流電力を供給する電力変換装置とを備えた電動機車両において、
前記請求項１に記載の永久磁石同期機を備えたことを特徴とする電動機車両。

【請求項6】

請求項５において、
架線から電力を集電する集電装置を備え、前記電力変換装置は前記集電装置で集電された電力を変換することを特徴とする電動機車両。

【請求項7】

請求項５において、
バッテリーを備え、前記電力変換装置は前記バッテリーから供給された電力を変換することを特徴とする電動機車両。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は永久磁石同期機、及びこれを備えた電動機車両に関するものである。

【背景技術】

【0002】

永久磁石同期機では、小型化と高効率化を実現するために、回転子に永久磁石を埋設するＩｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ（以下、ＩＰＭ）構造が広く採用されている。ＩＰＭ構造では、直軸インダクタンスＬｄと横軸インダクタンスＬｑの比（Ｌｄ／Ｌｑ）、いわゆる突極比が大きくなるので、磁石トルクに加えリラクタンストルクの活用が可能である。

【0003】

リラクタンストルクを活用する永久磁石同期機の従来技術としては、例えば特許文献１（特開２０１５－２９４２１号公報）に記載の同期機が提案されている。この特許文献１には、永久磁石の極弧度τｍ／τｐ及び磁石穴極弧度τｇ／τｐを変化させた場合の最大トルクの計算例が開示されている。特許文献１に記載の図１４の計算例では、τｍ／τｐを大きくした方が、磁石トルクとリラクタンストルクを足し合わせた出力トルクを大きくできることが開示されている。すなわち、特許文献１では磁石量を増加した方が出力トルクを大きくできることを開示している。

【0004】

その他磁石量を増加して出力トルクを向上する従来技術としては、例えば１極あたりの永久磁石をＶ字状やＵ字状に配置して磁石面積を確保したり、これらをさらに複数層で構成する手段が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１５－２９４２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

このように、従来は１極あたりの磁石量を増加することにより磁石トルクを増加させ、磁石トルクとリラクタンストルクを足し合わせた出力トルクを大きくすることにより、小型化と高効率化を実現する手法がとられてきた。

【0007】

しかしながら、永久磁石は他の材料に比べてきわめて高価なので、上述のように磁石量を増加する手法においては、磁石コストの増加を招くといった課題がある。一方、コスト低減のため、磁石量を低減すると、磁石トルクが減少し、出力トルクが減少すると考えられてきた。このため、小型化と高効率化を実現しながら磁石量を低減することは困難と考えられていた。

【0008】

本発明の目的は、上記課題を解決し、出力トルクを向上しつつ、磁石コストの低減を図った永久磁石同期機及びこれを備えた電動機車両を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明の特徴とするところは、複数のティースに巻回された固定子コイルを有する固定子と、永久磁石及び前記永久磁石を収容する永久磁石収容孔を周方向に複数備えた回転子とを備え、前記回転子には複数の磁極が周方向に沿って配置された永久磁石同期機において、前記永久磁石は平板状に形成され、周方向に延びる前記永久磁石収容孔の一辺が、１極を構成する前記永久磁石の磁極中心軸に対して直交するように形成され、前記永久磁石の径方向外側面と前記回転子の外周端部とで構成され、前記永久磁石の開き角τｍで切り取られる部分のコア外周部の断面積は、前記永久磁石収容孔の断面積よりも小さくなるよう構成され、前記磁極の開き角τｐと前記永久磁石の開き角τｍとの比τｍ／τｐが式（１）を満足し、かつ、前記永久磁石による固定子コイル鎖交磁束Ψｐと、電流Ｉ(Arms)通電時の直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑと、を用いて式（２）によって定義されるリラクタンストルク比αが、０．６０以上としたことにある。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、出力トルクを向上しつつ、磁石コストの低減を図った永久磁石同期機及びこれを備えた電動機車両を提供することができる。

【0011】

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の第１実施例に係る永久磁石同期機において固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図である。

【図2】本発明の第１の実施例に係る永久磁石同期機において磁極の１極分の拡大図である。

【図3】永久磁石同期機のベクトル図である。

【図4】本発明の第１実施例に係るトルク特性の説明図である。

【図5】本発明の第１実施例に係るリラクタンストルク比の特性の説明図である。

【図6】本発明の第１実施例に係るトルク特性の一例である。

【図7】本発明の第１実施例に係るトルク特性の他の一例である。

【図8】本発明の第１実施例に係る永久磁石同期機において出力トルクが最大となる条件を描いた曲線である。

【図9】永久磁石を分割して配置した永久磁石同期機の回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図である。

【図10】本発明の第２実施例に係る永久磁石同期機において回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図である。

【図11】本発明の第３実施例に係る永久磁石同期機を用いた鉄道車両の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。以下の説明では、同一の構成には同一の記号を付してある。それらの名称及び機能は同じであり、重複説明は避ける。また、以下の説明では内転型回転子を対象としているが、本発明の効果は内転型回転子に限定されるものではなく、同様の構成を有する外転型回転子にも適用可能である。

【0014】

また、固定子の巻線方式は集中巻でも良いし分布巻であっても良い。また、回転子の極数、固定子コイルの相数も、実施例の構成に限定されるものではない。また、以下の説明ではインバータ駆動の永久磁石モータを対象としているが、本発明の効果は自己始動型永久磁石モータにも適用可能である。

【実施例1】

【0015】

以下、図１乃至８を用いて、本発明の第１実施例について説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る永久磁石同期機において固定子と回転子とを回転軸に垂直な横断面で示す図である。図２は、本発明の第１の実施例に係る永久磁石同期機において磁極の１極分の拡大図である。図３は、永久磁石同期機のベクトル図である。図４は、本発明の第１実施例に係るトルク特性の説明図である。図５は、本発明の第１実施例に係るリラクタンストルク比の特性の説明図である。図６及び図７は、本発明の第１実施例に係るトルク特性の一例である。図８は、本発明の第１実施例に係る永久磁石同期機において出力トルクが最大となる条件を描いた曲線である。

【0016】

本実施例の永久磁石同期機１００について、図１を用いて説明する。本実施例の永久磁石同期機は、固定子１０９の内周側に回転子１０１を備えている。回転子１０１と固定子１０９の間にはギャップＧが設けられている。回転子１０１は、軸受（図示なし）によって回転自在に保持される。

【0017】

固定子１０９は固定子鉄心１１０と複数のティース１１１に巻回された固定子コイル（図示なし）とで構成される。固定子コイルは複数の固定子スロット１０７に格納される。回転子１０１は永久磁石収容孔１０４を備えた回転子鉄心１０２と、６極（極対数ｐ＝３）を構成するよう配置された永久磁石１０３とで構成される。回転子１０１の中心部Ｃには、回転軸１０６（回転軸、出力軸）が貫通する貫通孔１０６ａが形成され、貫通孔１０６ａに回転軸１０６が挿通されている。

【0018】

永久磁石収容孔１０４は方形状で、永久磁石収容孔１０４には永久磁石１０３が埋設されている。永久磁石１０３と永久磁石収容孔１０４とは、回転子の回転軸線に対し周方向に沿って複数設けられ、回転子１０１の内部に周方向に沿って複数の磁極１０８が構成される。磁極１０８は機械角で６０°の開き角を有している。

【0019】

図２に磁極１０８の１極分の拡大図を示す。磁極１０８の開き角をτｐとし、その磁極１０８内における永久磁石１０３の開き角をτｍとする。永久磁石１０３の開き角τｍは、永久磁石１０３の径方向外側に位置する両端部と、回転軸１０６の中心とを結ぶ線で構成される。永久磁石収容孔１０４の周方向両端にはリブ１２０（１２０ａ、１２０ｂ）とフラックスバリア１２１（１２１ａ、１２１ｂ）が設けられている。リブ１２０（１２０ａ、１２０ｂ）とフラックスバリア１２１（１２１ａ、１２１ｂ）は、永久磁石１０３の磁束が同一磁極内で短絡ループを形成することを抑制するとともに、回転子１０１の回転時において永久磁石１０３が飛散することを防止している。

【0020】

図２に示す断面において、永久磁石１０３の径方向外側面と回転子１０１の外周端部とで構成され、永久磁石の開き角τｍで切り取られる部分のコア外周部１０５の断面積は、永久磁石収容孔１０４の断面積よりも小さくなるよう構成されている。この理由に関しては後述する。

【0021】

以下では、本発明の基本原理、すなわち、磁極の開き角τｐと磁極の永久磁石の開き角τｍとの比τｍ／τｐが式（１）の関係を満足し、かつ永久磁石による固定子コイル鎖交磁束Ψｐと、電流I(Arms)通電時の直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑとを用い式（数２）によって定義されるリラクタンストルク比αが０．６０以上となるように構成することで、出力トルクを最大化しつつ、磁石コストを低減できる原理を説明する。

【0022】

【数1】

【0023】

【数2】

【0024】

一般に出力トルクＭｅは、極対数ｐ、永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐ、直軸電流Ｉｄ、横軸電流Ｉｑを用いて式（３）で表される。

【0025】

【数3】

【0026】

ただし、Ｉｄ、Ｉｑ、Ψｐは波高値である。

【0027】

式（３）を構成する各パラメータは、モータの駆動条件が定まれば、以下に述べるように一義的に算出することができる。

【0028】

まず、固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐは、固定子コイルの電源供給端子を開放した状態で回転子１０１を外部駆動し、その時の相電圧波高値Ｅ０、または線間電圧波高値Ｅ０×√３を測定することで求めることができる。具体的には、毎分当たりの回転数Ｎ［min-1］で外部駆動した時の角周波数ω［ｒａｄ／ｓ］を式（４）から求め、その結果を式（５）に代入して得られる。ただし、ｐは極対数である。

【0029】

【数4】

【0030】

【数5】

【0031】

直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑに関しては、ダルトン・カメロン法などのような回転子静止法から算出するか、または図３に示すようなベクトル図から逆算する方法がある。

【0032】

図３のｄｑ軸座標系のベクトル図では、永久磁石による固定子コイル一相分の鎖交磁束Ψｐの位相を基準として、これをｄ軸とおくと、Ψｐの時間微分である誘導起電力Ｅ０は位相が９０°進んだｑ軸に発生する。モータに印加される相電圧Ｖとモータに通電される相電流Ｉが、Ｅ０に対してそれぞれθ、βの位相差をもつとき、Ｖ，Ｉは式（６）、式（７）に示すようにｄ軸成分、ｑ軸成分に分解できる。

【0033】

【数6】

【0034】

【数7】

【0035】

なお、図３の抵抗Ｒはホイートストーンブリッジなどの抵抗測定器を用いることで計測可能である。また、電圧位相差角θ、電流位相差角βに関しては、Ｅ０、Ｖ、Ｉの波形を取得し、各基本波成分の位相関係を割り出すことで求めることができる。図３では相電圧、相電流の波形を用いた場合を表しているが、例えば相電圧の代わりに線間電圧を取得している場合でも、相電圧と線間電圧の位相差を考慮することで、同様にしてθ、βを求めることができる。

【0036】

上記で得られた物理量を用いて、直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑは式（８）の電圧方程式から求めることができる。

【0037】

【数8】

【0038】

さて、再び式（３）に戻って出力トルクＭｅの構成要素について説明すると、｛ ｝内第一項が磁石トルクを表し、第二項がリラクタンストルクを表している。

【0039】

図４に示すように、磁石トルクは電流位相差角β＝０のときに最大となり、その最大値Ｍｐ，ｍａｘは式（７）に基づき、式（９）で表せる。

【0040】

【数9】

【0041】

一方、リラクタンストルクは電流位相差角β＝π／４（電気角で４５ ｄｅｇ．）のときに最大となり、その最大値Ｍｒ，ｍａｘは式（７）に基づき、式（１０）で表せる。

【0042】

【数10】

【0043】

上述した式（９）と式（１０）の比をリラクタンストルク比αと定義する。電流波高値Ｉを用いる場合は、

【0044】

【数11】

【0045】

となる。

【0046】

電流実効値Ｉｒｍｓを用いる場合は、

【0047】

【数12】

【0048】

となる。本実施例では電流実効値Ｉｒｍｓを用いた式（１２）を使用する。

【0049】

式（１２）から明らかなように、リラクタンストルク比αはモータ駆動条件に基づいて一義的に決定されるパラメータ（Ｉｒｍｓ、Ψｐ、Ｌｄ、Ｌｑ）から算出できる。

【0050】

ここで、図４に示す特性に基づくと、出力トルクＭｅはＭｐ，ｍａｘ、α、βの関数として次式で表せる。

【0051】

【数13】

【0052】

【数14】

【0053】

【数15】

【0054】

式（１５）において、式（１６）となるときのβをβ１とする。

【0055】

【数16】

【0056】

その時の最大トルクＭｅ，ｍａｘは式（１７）で表せる。

【0057】

【数17】

【0058】

【数18】

【0059】

【数19】

【0060】

図１及び図２に示す構成を有するモータにおいて、永久磁石の開き角τｍが磁極の開き角τｐと等しい（τｍ＝τｐ）場合の磁石トルクをＭｐ，ｍａｘ１とする。このとき、固定子サイズや回転子サイズ、及びその他設計仕様は一切変更せずに、永久磁石の開き角τｍのみを変化させた場合、磁石トルクＭｐ，ｍａｘは、永久磁石の開き角τｍの関数として式（２０）のように表すことができる。

【0061】

【数20】

【0062】

磁石量ならびに磁石コストを低減するためには永久磁石の開き角τｍを減らすことが有効である。しかしながら、式（２０）から明らかなように永久磁石の開き角τｍを減らすと磁石トルクＭｐ，ｍａｘが低下するので、式（１７）により得られる出力トルクＭｅ，ｍａｘもまた低下する。したがって、従来は出力トルクを最大化し、かつ磁石量を減らして磁石コストを低減することは困難であると考えられてきた。

【0063】

これに対し本発明者らは、式（２０）を式（１７）に代入することで以下のように表すことができると考えた。

【0064】

【数21】

【0065】

さらに本発明者らは、式（２１）を変形すると以下のように表せることに着目した。

【0066】

【数22】

【0067】

式（２２）は、固定子サイズや回転子サイズ、及びその他設計仕様は一切変更せずに、永久磁石の開き角τｍのみを変化させた場合の出力トルクＭｅ，ｍａｘが、τｍ＝τｐの場合の磁石トルクＭｐ，ｍａｘ１に対してどのような比になるかを表した式である。永久磁石の開き角τｍのみを減少させた場合、右辺のｓｉｎ項（ｓｉｎ（π／２・τｍ／τｐ））は上述のように単調減少することが知られている。一方で、本発明者らは同じく右辺に含まれるリラクタンストルク比αは別の傾向を示すと考えた。

【0068】

そこで、本発明者らは図１及び図２に示す構成を有するモータにおいて、任意のＩｒｍｓ、Ψｐ、Ｌｄ、Ｌｑの組合せを選定し、τｍ／τｐとリラクタンストルク比αの関係を調査した。その結果、図５に示すように、τｍ／τｐとリラクタンストルク比αの関係が略線形となることがわかった。また、得られた線形関数を外挿した場合の切片（以下、外挿切片と呼称）の大きさはＩｒｍｓ、Ψｐ、Ｌｄ、Ｌｑの組合せ、すなわち、モータごとに異なることがわかった。

【0069】

式（２２）の右辺において、リラクタンストルク比αをτｍ／τｐの線形関数として表すことができれば、式（１８）と式（１９）から明らかなようにｃｏｓβ1とｓｉｎβ１もまたτｍ／τｐの関数として表すことができる。すなわち、式（２２）の右辺に含まれる変数はτｍ／τｐのみとなる。

【0070】

例えば、図５の外挿切片が０．６となるモータでは、リラクタンストルク比αとτｍ／τｐの関係は図６に示すようになる。このとき、任意のτｍ／τｐに対して、式（２２）より出力トルクＭｅ，ｍａｘと磁石トルクＭｐ，ｍａｘ１との比を計算すると、図６に示すような関係となる。図６に示すように、出力トルクＭｅ，ｍａｘが最大となるのは、τｍ／τｐが１近傍（リラクタンストルク比αは０近傍）のときであることがわかる。この結果は、永久磁石の開き角τｍを減らすと出力トルクＭｅ，ｍａｘもまた低下するという公知の内容を表しており、これまでは、どのようなモータでも図６のような傾向になると考えられていた。

【0071】

しかしながら、例えば図５の外挿切片が２．３となるモータでは、リラクタンストルク比αとτｍ／τｐの関係は図７に示すようになる。先程と同様に、任意のτｍ／τｐに対して、式（２２）より出力トルクＭｅ，ｍａｘと磁石トルクＭｐ，ｍａｘ１との比を計算すると、図７に示すような関係となる。図７より、出力トルクＭｅ，ｍａｘが最大となるのは、τｍ／τｐが０．６近傍（リラクタンストルク比αは１近傍）のときであることがわかる。すなわち、永久磁石の開き角τｍを減らして磁石量ならびに磁石コストを低減しながら、出力トルクを最大化できることがわかる。

【0072】

図７と同様に、外挿切片を任意の値に設定し、出力トルクＭｅ，ｍａｘが最大となるときのτｍ／τｐとリラクタンストルク比αの組合せを調査した結果を図８に示す。図８に示すように、出力トルクＭｅ，ｍａｘが最大となるときのτｍ／τｐは、０．５を下限とする飽和曲線となることがわかる。また、前記τｍ／τｐの減少傾向の変極点は、リラクタンストルク比αが０．６０のとき（τｍ／τｐが０．６３のとき）であることがわかる。

【0073】

このように、本発明者らは、本実施例において永久磁石の開き角τｍとリラクタンストルク比αを適切に選択することで、磁石量を低減しながら出力トルクＭｅ，ｍａｘを最大化できることを見出した。

【0074】

以上の通り、本発明の基本原理、すなわち、磁極の開き角τｐと磁極の永久磁石の開き角τｍとの比τｍ／τｐが式（１）の関係を満足し、かつ永久磁石による固定子コイル鎖交磁束Ψｐと、電流I(Arms)通電時の直軸インダクタンスＬｄ及び横軸インダクタンスＬｑとを用い式（数２）によって定義されるリラクタンストルク比αが０．６０以上となるように構成することで、出力トルクを最大化しつつ、磁石コストを低減できる原理を説明した。

【0075】

【数23】

【0076】

【数24】

【0077】

本発明の第１実施例によれば、横軸インダクタンスＬｑを増加できるのでセンサレス制御の安定性を向上することができる。

【0078】

また、第１実施例によれば、センサレス制御を採用することにより、センサ類の調達・取付コストを削減することができる。

【0079】

さらに、第１実施例によれば、センサ用の配線が不要となり断線リスクが無くなるので製品信頼性を向上することができる。

【0080】

さらにまた、第１実施例によれば、遠心力荷重を低減できるので機械強度に対する信頼性を向上することができる。同時に、リブ１２０の幅を小さくできるので、永久磁石１０３の漏れ磁束を低減でき、磁石トルクのさらなる向上を図ることができる。

【0081】

さらにまた、第１実施例によれば、磁石サイズが小さくなるので、組立て作業時の磁気吸引力が小さくなり、組立作業性を向上することができる。これにより組立てに要する時間を短縮でき、製作コストを低減することができる。

【0082】

ところで、本実施例の冒頭にて、永久磁石１０３の径方向外側面と回転子１０１の外周端部とで構成されるコア外周部１０５の断面積は永久磁石収容孔１０４の断面積よりも小さくなるよう構成することを述べた。この理由は、本実施例では永久磁石の磁束発生面積が永久磁石の開き角τｍに比例することを前提としているためである。換言すると、永久磁石１０３の径方向外側面の幅と、コア外周部１０５の周方向幅がほぼ同等となることを前提としている。この前提は、コア外周部１０５の断面積を磁石挿入孔の断面積よりも小さくすることで維持され、このときに式（２０）で示すような永久磁石の開き角τｍと磁石トルクＭｐ，ｍａｘの関係を確保できる。

【0083】

なお、永久磁石１０３は１極につき周方向に分割されることなく一体で構成しても良いし、複数個を周方向に分割して配置しても良い。また、１極を構成する永久磁石１０３及び永久磁石収容孔１０４は、１つに限定されるわけではない。例えば、１極を構成する永久磁石１０３を周方向に分割し、それぞれの磁石に合わせて永久磁石収容孔１０４を設け、隣接する収容孔の境界にリブを設けるなどしてもよい。

【0084】

また、遠心力荷重を低減するために、図９に示すようにコア外周部１０５の断面積が可能な限り小さくなるように永久磁石収容孔１０４を構成してもよい。図９は永久磁石を分割して配置した永久磁石同期機の回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図である。

【0085】

図９において、回転子鉄心１０２には永久磁石収容孔１０４ａ、１０４ｂが形成され、それぞれの永久磁石収容孔１０４ａ、１０４ｂには永久磁石１０３ａ、１０３ｂが収容されている。永久磁石収容孔１０４ａ、１０４ｂのそれぞれの周方向一端には、リブ１２０ａ、１２０ｃが形成されている。また永久磁石収容孔１０４ａ、１０４ｂの間には、リブ１２０ｂが形成されている。そして、図９では、複数の永久磁石収容孔１０４は、径方向外側に凸となるように周方向に並べた形状で構成している。

【0086】

また、永久磁石１０３及び永久磁石収容孔１０４は、回転軸方向に複数個を分割して構成しても良いし、分割することなく一体で構成しても良い。永久磁石１０３は一つの永久磁石収容孔１０４内で複数個に分割して配置しても良い。

【0087】

回転子鉄心１０２は軸方向に積み重ねた積層鋼板で構成しても良いし、圧粉磁心などで構成しても良いし、アモルファス金属などで構成しても良い。フラックスバリア１２１は、永久磁石１０３の磁束を有効に利用する観点で設けることが望ましいが、漏れ磁束を十分小さくできるのであれば必ずしも設ける必要はない。

【0088】

本実施例では、リラクタンストルク比αの数値を０．６０以上と規定している。この規定を満足するのであれば、永久磁石１０３にはネオジム磁石のような希土類磁石を使用しても良いし、フェライト磁石のような残留磁束密度が低く保持力の低い磁石を使用しても良いし、さらにはその他の磁石を使用しても良いし、残留磁束密度と保持力が異なる複数の磁石を組み合わせて使用してもよい。ネオジム磁石は一般に残留磁束密度が０．６Ｔ以上である。これに対して、フェライト磁石は一般に残留磁束密度が０．６Ｔ未満である。本実施例はいずれの磁石モータに対しても小形化・高効率化・低コスト化の全てを同時に実現することができる。特に、モータの限界設計という観点で言えば、残留磁束密度が０．６Ｔ以上のモータに本実施例を適用した場合には、残留磁束密度０．６Ｔ未満の磁石モータに適用した場合よりも、顕著な小形化・高効率化の効果を得ることができる。

【実施例2】

【0089】

図１０を用いて本発明の第２実施例について説明する。図１０は、本発明の第２実施例に係る永久磁石同期機において回転子を回転軸に垂直な横断面で示す図である。

【0090】

第２実施例において、回転子鉄心１０２には永久磁石収容孔１０４が形成され、永久磁石１０３が収容されている。永久磁石収容孔１０４の周方向両端にはリブ１２０（１２０ａ、１２０ｂ）とフラックスバリア１２１（１２１ａ、１２１ｂ）が設けられている。

【0091】

永久磁石収容孔１０４は、周方向に延びる永久磁石収容孔の一辺１０４ｃが、１極を構成する永久磁石の磁極中心軸１３０に対して直交するように形成される。永久磁石収容孔１０４に収容される永久磁石１０３は平板状に形成されている。

【0092】

第２実施例によれば、上記のように構成することにより、永久磁石１０３の成形プロセスを最小限に抑えることができる。また、第２実施例によれば、永久磁石１０３の挿入工程も簡易となるので、製造コストを抑制できる。なお、永久磁石１０３は、永久磁石収容孔１０４を完全に埋めるのではなく、隙間を残すようにして挿入するようにしても良い。

【実施例3】

【0093】

図１１を用いて本発明の第３実施例について説明する。第３実施例では、第１実施例及び第２実施例で用いた永久磁石同期機を電動機車両に適用した例を説明する。電動機車両の一例として、第３実施例では鉄道車両に用いた例を説明する。

【0094】

図１１は、本発明の第３実施例に係る永久磁石同期機を用いた鉄道車両の構成図である。

【0095】

鉄道車両３００は、レール２０１上を走行する複数の車輪３０１と、複数の車輪３０１のうち、少なくとも一つの車輪３０１を駆動する永久磁石同期機３０２と、架線２０２から電力を集電する集電装置３０３と、集電装置３０３で集電された電力を変換して永久磁石同期機３０２に交流電力を供給する電力変換装置３０４とを備えている。

【0096】

永久磁石同期機３０２は鉄道車両３００の車軸と連結されており、永久磁石同期機３０２により鉄道車両３００の走行が制御される。電気的なグランドはレール２０１を介して接続されている。ここで、架線２０２の電圧は直流及び交流のどちらでもよい。また、給電方式は、架線２０２からの給電に代えて、鉄道車両３００内にバッテリーを搭載し、このバッテリーから電力を供給するようにしても良い。

【0097】

そして、第３実施例の永久磁石同期機３０２には、第１実施例及び第２実施例で説明した技術が適用されている。

【0098】

第３実施例によれば、第１実施例及び第２実施例の永久磁石同期機３０２を鉄道車両システムに搭載することにより、鉄道車両の駆動システムの小型化を図れると同時に、高効率に運転することが可能となる。

【0099】

また、第３実施例によれば、鉄道車両の軽量化が図れ、電力消費量を低減することができる。さらに、第３実施例によれば、鉄道車両の軽量化により、高速運転に好適な鉄道車両を提供することができる。さらにまた、第３実施例によれば、鉄道車両の軽量化により、レールへの負担が抑制でき、保線作業の軽減を図ることができる。

【0100】

なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

【符号の説明】

【0101】

１００ 永久磁石同期機
１０１ 回転子
１０２ 回転子鉄心
１０３ 永久磁石
１０３ａ 永久磁石
１０３ｂ 永久磁石
１０４ 永久磁石収容孔
１０４ａ 永久磁石収容孔
１０４ｂ 永久磁石収容孔
１０４ｃ 永久磁石収容孔の一辺
１０５ コア外周部
１０６ 回転軸
１０６ａ 貫通孔
１０７ 固定子スロット
１０８ 磁極
１０９ 固定子
１１０ 固定子鉄心
１１１ ティース
１２０ リブ
１２０ａ リブ
１２０ｂ リブ
１２０ｃ リブ
１２１ フラックスバリア
１２１ａ フラックスバリア
１２１ｂ フラックスバリア
１３０ 永久磁石の磁極中心軸
２０１ レール
２０２ 架線
３００ 鉄道車両
３０１ 車輪
３０２ 永久磁石同期機
３０３ 集電装置
３０４ 電力変換装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】