JP2000324774A

JP2000324774A - Ｐｍモータ

Info

Publication number: JP2000324774A
Application number: JP11126126A
Authority: JP
Inventors: Munekatsu Shimada; 宗勝島田; Hideaki Ono; 秀昭小野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2000-11-24

Abstract

(57)【要約】【課題】少容量のモータでの電動パワステの実現が可
能なＰＭモータを提供すること。【解決手段】ロータに磁石を有する３相同期モータに
おいて、トルクリップルを有し、かつ、リップル率をほ
ぼ５％から３０％の範囲とし、また、ステータは分割コ
アで作られ、集中巻の巻線を有していて、ロータ内に磁
石を有するロータとを組み合わせる。また、制御側で対
応するのではなくて、モータのハード側で対応するよう
にする。さらに、モータに流せる最大電流の約１／３よ
り大きな電流域において、駆動電流が増加するにつれ
て、リップル率が大きくなるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、モータあるいはジ
ェネレータとして用いられる３相同期モータに関し、特
に、電動パワステに好適なＰＭモータ（トルクリップル
モータ）に関するものである。また、電気自動車のモー
タあるいはジェネレータにも好適なＰＭモータに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ＰＭモータは、幅広い産業分野で使用さ
れている。そのなかで、特に電気自動車では、走行距離
を延ばす必要性から高効率なモータが要求されている。
また、主動力にエンジンを使用し、補助動力にモータを
使用することによって燃費の向上等を図ったハイブリッ
ド電気自動車の開発も進められており、そこで要求され
るモータも高効率なものである。電気自動車用のモータ
としては、例えば、永久磁石式同期モータ（ＰＭモー
タ）が開発されており、運転領域によっては効率９０％
以上が達成されている。

【０００３】また、電気自動車に用いるモータは、高効
率ばかりでなくコンパクトで軽いことも重要である。コ
ンパクト化を達成するには、ステータの巻線を分布巻か
ら集中巻にする技術があり、一部のモータでは既に採用
されている。さらに、磁場解析を使ったステータやロー
タの最適形状の追求もなされており、このほか、磁石適
用技術の開発、鉄損の解析、銅損の解析および熱の解析
等も追求されている。

【０００４】インバータで駆動される永久磁石同期電動
機（ＰＭモータ、ブラシレスＤＣモータ）は、保守性、
制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能で
あるため広く用いられている。さらに、高効率化、性能
向上を目指して、モータの構造設計および駆動システム
について活発な研究がなされている。中でもモータの磁
気的な突極性により発生するリラクタンストルクも利用
できるリラクタンストルク併用ＰＭモータが注目されて
いる。

【０００５】最近の関連する研究内容の一例として、
“平成８年電気学会産業応用部門全国大会『Ｓ．１２−
３リラクタンストルク併用ＰＭモータと駆動システ
ム』（森本等）”があげられる。

【０００６】従来におけるモータの具体例を、図１１に
示す。ロータ表面に磁石のあるＳＰＭブラシレスＤＣモ
ータの断面である。また、図１２は、ロータの構造図で
ある。図１２（ｂ）は表面磁石式（ＳＰＭ）の構造例で
あり、（ａ）は磁石がロータの内部にある内部磁石式
（ＩＰＭ）の構造例である。また、図１３は、ＩＰＭモ
ータの断面構造例を示す図である。ＩＰＭであると、上
記したように、リラクタンストルクの利用が可能とな
る。

【０００７】図１１及び図１３におけるステータは、ス
テータのスロット数が多く、かつ、ロータの極数からも
明らかにわかるように分布巻である。分布巻のステータ
を有するＩＰＭモータが一般的であるが、集中巻のステ
ータを有するＩＰＭモータも成立する。その技術内容に
ついては、当出願人が既に発明を届け出ているとおりで
ある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、モータにお
いては、駆動電流を流していないときのコギングトル
ク、また、駆動電流を流しているときに発生するトルク
リップルが少ないモータほど良いモータであるのが常識
になっている。モータ開発には、それを低減するための
努力がなされる。トルクリップルは悪者扱いされてきて
おり、それを有効に活用する検討がなされてこなかった
ようである。本発明は、モータのトルクリップルを有効
に活用することを検討した結果なされたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】トルクリップルの有効活
用を鋭意検討した。その結果、優れた効果があることが
わかった。また、モータのハード側で対応する技術につ
いての検討を行なった。その結果、制御側は従来と同じ
技術で対応できる技術に到達した。本発明には、以上の
経緯で到達したわけである。いわば、逆転の発想から生
まれた発明である。

【００１０】本発明の作用を説明する。本発明に係わる
モータでは、後に詳しく説明されることであるが、トル
クリップルを有するため、電動パワステに使ったときに
は、パワステがロックしにくくなる。また、電気自動車
に使ったときには、回生ブレーキの油圧バルブがロック
しにくくなる。

【００１１】本発明の効果を説明する。上記した作用効
果があるばかりでなく、制御側での複雑な工夫を必要と
しない、という優れた効果もある。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるＰＭモータの
実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明する。技術
的な説明の前に、まず本実施の形態の構成を説明する。
図１に、本実施の形態を示す。試作して性能を確認した
モータの断面構造図である。

【００１３】ステータは１２極である。ステータの歯の
すべてに集中巻がされている。なお、単に集中巻という
とステータのスロット間をわたる巻線がある集中巻も含
まれるが、本発明の集中巻はそれを含んでいないので、
念のため言明しておく。径が１．２ｍｍのマグネットワ
イヤを使用し、５４ターンになっている。分割コア技術
を使いステータを作製している。内径が５２ｍｍ、外径
が１０８ｍｍである。

【００１４】図２は、分割コアの一つのコマの構成図で
ある。電磁鋼板は０．３５ｍｍのものを用いた。商品名
は、『３５Ｈ３００』である。これを３４２枚重ねたも
のが、一つの極である。巻線した後、レーザー溶接によ
り組み立て、ステータとした。積み厚さは１１９．７ｍ
ｍである。

【００１５】図１を用いて、寸法の説明をする。Ｒａｄ
Ｓｈはモータ軸の半径で、１０ｍｍである。Ｌｍは磁石
の厚さ、Ｒａｄ１はロータの半径、Ｒａｄ３はステータ
の外半径、Ｌｓｔｋは積み厚さ、Ｇａｐはギャップで
０．５０ｍｍ、ＢｅｔａＭは後述、ＳＤはステータの歯
の平行部長さで１９．５ｍｍ、ＳＯは開口部の寸法で
１．１ｍｍ、ＴＷＳはステータの歯の幅で８．２ｍｍ、
ＴＧＤは開口部の深さで１．０ｍｍ（ＳＯの平行部での
寸法）、ＴＧＡＮＧは歯の肩の角度で４４．５度であ
る。また、ｂｒｉｄｇｅ，ｗｅｂ，ＭａｇＷｉｄは後述
する。（図２及び後出の図３も参照のこと。）

【００１６】ロータの詳細構造の説明を、図３に示す。
同図は４極であるが、実際にはこの構造で８極としてい
る。同上の電磁鋼板を同じ枚数重ね、磁石を挿入してい
る。使用磁石はＮｄ磁石で、幅１３ｍｍ、厚さ４ｍｍ、
長さは１１９．７ｍｍとした。実際には、磁石を２個な
らべている。商品名は、『Ｎｅｏｍａｘ３５ＥＨ』であ
る。

【００１７】図３を用いて、詳細寸法を説明する。Ｍａ
ｇＷｉｄは磁石の幅、Ｌｍは磁石の厚さ、ＢｅｔａＭは
電気角での角度であって、ここでは１４０度とした（実
際の角度は３５度である）。Ｒａｄ１はロータの半径で
あって２５．５０ｍｍとした。また、ｂｒｉｄｇｅは１
ｍｍ、ｗｅｂは２ｍｍとした。なお、図４はロータ断面
参考図である。

【００１８】図５は、巻線の結線図である。ＡがＵ相、
ＢがＶ相、ＣがＷ相であって、Ｙ結線である。４極分が
並列になっている。

【００１９】図６は、性能試験に用いた実験装置を示す
図である。エンコーダからの位置信号をもとに、ｄ軸，
ｑ軸電流を演算し、電流制御回路およびＰＷＭインバー
タでｕ，ｖ，ｗ電流を発生させてモータを回す、よく知
られた通常の方法である。なお、電流は正弦波である。

【００２０】また、ｕ相の電流波形とｕｖ相間電圧波形
も測れるようにしている。ＦＦＴアナライザは、電流、
電圧の基本波の振幅および位相を知るためのものであ
る。また、モータの効率を測定するためにパワーメータ
も備えてある。

【００２１】さて、まず２次元の磁場解析により、特性
を確認しながら、以上の諸寸法に設計した。次に、試作
して性能を確認した。

【００２２】図７に、測定結果の一例を示す。電流位相
を３０度進めて、これを固定とし、電流値を増やしたと
きの電流対トルク特性である。回転数は６００ｒｐｍで
あった。トルクは１／４回転の間に６回リップルする。
大体、正弦波状に波打つリップルの仕方である。すなわ
ち、リップルは電気角で６周期である。なお、本実施の
形態のモータは目的とするトルクリップルモータとなっ
ている。

【００２３】図８に、電流位相３０度固定のときの電流
に対するリップル度合いを示す。ある電流値でのリップ
ル度合いはそこでのトルクの最大値を最小値で割った値
である。１．００からのずれがリップル率である。約６
％から約２３％となっている。

【００２４】また、モータに流せる最大電流の約１／３
より大きな電流域において、リップル率は電流に対して
増加する、という特性になっている。

【００２５】本モータに流せる最大相電流は、図７に示
してあるように、約２０Ａｒｍｓである。実際にモータ
に印加できる最大電流は、この４倍である。

【００２６】なお、本実施の形態の測定結果は、整理の
都合上、任意目盛りでプロットされているが、実相電
流、実トルクとの対応は、図７に示してあるとおりであ
る。

【００２７】図８には、モータ単体効率、力率も合わせ
て示してある。力率が多少悪いのは電流位相固定運転の
ためであって、運転方法を変えると改善できることはい
うまでもない。

【００２８】図９、図１０には、電流位相４５度固定の
場合の結果を示す。電流位相３０度の場合と同じ傾向の
特性となっている。リップル率は、電流位相３０度の場
合よりも増している。

【００２９】ところで、磁場解析の結果と実際の試作モ
ータでの試験結果は、ほぼ一致していることが確認でき
た。

【００３０】実際のモータ設計においては、磁場解析に
より特性を確認しながら、諸寸法を決めていく。すなわ
ち、目的とする特性の磁気回路を見出していくわけであ
る。本実施の形態の場合もしかりであって、ほぼ目的を
達成できた磁気回路、すなわち諸寸法がここで記述した
ものなわけである。

【００３１】磁気回路の変更、例えば磁石の位置を奥ま
らせると、それだけでもモータ特性を少し変更すること
ができることは、よく知られたことである。また、ステ
ータとロータ間のギャップの長さを変更することもよく
試みられることである。

【００３２】さて、従来のモータ設計では、本実施の形
態のようなトルクリップルでは要求仕様が満足できず、
トルクリップルを減らす磁気回路の検討がさらに必要と
なる。本発明の場合には、この点にはそれほど神経をす
り減らす必要はないわけである。

【００３３】さらに、本実施の形態のモータの詳細な特
性について説明する。電流を流さないときの誘導起電力
波形（マグネットのみの磁束による）は、多少ひずんで
いたが、ほぼ正弦波とみなせる波形であった。電流位相
を３０度進めたときの、６００ｒｐｍでのＬｄは５．９
９ｍＨ、Ｌｑは９．２０ｍＨであって、突極比は１．５
４となっていた。これらは、振幅が１０Ａの正弦波電流
に対して実験により求めた値である。

【００３４】振幅１０Ａで、電流位相を３０度進めたと
き、トルクが最大であって、２８．３Ｎｍであった。こ
のときのマグネットトルクは２１．５Ｎｍ、リラクタン
ストルクは６．８Ｎｍと見積もれた。約２４％がリラク
タンストルク分である。なお、トルク値は任意目盛りで
の値であって、実トルク値との対応は、図７に示すとお
りである。また、このときの効率は約９６％であった
（図８参照）。

【００３５】以上の実施の形態に用いているモータ駆動
のための制御回路は、従来用いられているものと同じで
ある。何ら変更を加えていない。すなわち、制御回路に
特別な工夫なくしてトルクリップルモータを実現してい
るわけである。

【００３６】以上で、実施の形態の説明を終了とし、以
降では、本発明のトルクリップルモータを用いることに
よる効果について説明する。

【００３７】電動パワステへ適用した場合について、ま
ず説明する。電動パワステは従来の油圧パワステと機能
は同じである。ステアリング力をアシストする機能であ
る。電動化することで必要なときのみ、必要なだけアシ
ストすることになるから、パワステに使うエネルギーの
節約というメリットが生まれる。既に商品化されている
例もある。

【００３８】パワステでは据え切りのときに一番アシス
ト力が必要になる。タイヤが動き出すまでに力がいる。
既に商品化されている例では、何段ものギアを介して、
モータの回転力を増大させることにより、この力を確保
している。

【００３９】そのモータを本発明のモータに置き換える
とすると、モータの少容量化が可能となる。すなわち、
本発明のトルクリップルモータでは最大電流を流して動
き出すときに約３０％近いトルクのリップルは発生する
から、従来の（低トルクリップル）モータに比べて少容
量のモータで十分なわけである。

【００４０】また、本発明のトルクリップルモータを適
用すると、従来技術のような多段のギアを介さない、よ
りダイレクトなモータアシストのパワステも実現可能と
なる。そうすると、ステアリングの感触がより好ましい
ものとなる。

【００４１】以上説明してきたことからわかるように、
本発明のモータを用いると、電動パワステがロックしに
くくなるから、従来の（低トルクリップル）モータに比
べてより少容量のモータでの電動パワステの実現が可能
となるわけである。

【００４２】さて、本発明では、トルクリップル率の上
限を約３０％としているが、これ以上になると、例えば
電動パワステに適用した場合には、ステアリングに振動
が起こる、という不都合が生じてしまう。そこで上限を
この値としている。また、後に説明する適用例でもやは
りこの値が適切な上限である。

【００４３】なお、下限を約５％としているが、モータ
に流す電流が小さいところで、この程度のリップルがな
いモータでは本発明のトルクリップルモータとはなり得
ないことが本発明の技術的な検討の過程で判明したから
である。

【００４４】次の適用例について説明する。電気自動車
に適用した場合である。電気自動車では回生制御によ
り、エネルギーを回生する。制動は油圧ブレーキとの併
用である。制動システムは油圧を使ったシステムとな
る。本発明のトルクリップルモータを電気自動車の駆動
モータに適用すると、トルクリップルがあるため、それ
が油圧の起振源になるので油圧弁がロックしにくくな
る、という優れた効果があることが検討の結果判明して
いる。この適用例の場合にもリップル率が３０％を超え
ると好ましくない。リップル率がそれより大きくなると
好ましくない車体振動を誘起することになってしまうか
らである。

【００４５】また、電気自動車に適用したときのそれ以
外の効果として、スタートが予想以上にスムーズになる
こともわかってきた。特に、坂道発進のときにその効果
が顕著になってくるようである。始動時にモータには最
大電流が流れるが、そのときのトルクリップルが効果を
発揮するものと考えられる。

【００４６】また、車を発進させて加速するときに、心
地よいと思われるモータ音が発生する。その音色もドラ
イバーに適度な快感を与えるものとなって受け入れられ
ることが期待できそうである。なお、モータ音は低速高
トルクのときに少しするだけであって、高回転数のとき
にはおさまってしまう。

【００４７】また、本モータでは、従来の（低トルクリ
ップル）モータに比べると、暖機までに比較的短時間で
到達するという特徴がある。そのため、モータの制御性
に優れるという隠れたメリットもあると考えられる。磁
石式のモータでは、磁石の温度依存性が大きいためモー
タは温度をモニターしながらきめ細かい制御を行なって
いる、という現状にある。本発明のモータでは、その複
雑さが緩和されると期待できるからである。

【００４８】また、本発明によるモータは既に説明して
きたように始動性に優れているので、サーボモータとし
ても好適であると考えられる。トルクリップルレスが仕
様として要求されない場合には、本発明のモータでのト
ルクリップルであればほとんど実害はなく、始動性のメ
リットの方が大きくなるから、その分モータ容量を減ら
せる効果が際立つものと考えられる。

【００４９】上記説明の中からも明らかなように、本技
術は上記実施の形態に限定されるものではない。すなわ
ち、請求項に含まれる内容に関するものをすべて包含す
るわけである。

【００５０】本発明のモータでは集中巻ステータを使う
から、分割コア技術が適用でき、その技術のメリットが
そのまま活かせるわけである。すなわち、モータのコン
パクト化が図れているわけである。

【００５１】

【発明の効果】以上、詳細に説明してきたように、本発
明によれば、モータの制御側では従来のままの技術をそ
のまま使い、モータのハード側で対応することにより、
モータにトルクリップルを与える。そして、かつ、トル
クが必要なときにリップルが大きいから、電動パワステ
に適用した場合には、電動パワステがロックすることが
ない、という優れた効果がある。また、よりエネルギー
消費の少ない電動パワステが実現できる、という優れた
効果もある。また、電気自動車用としても好適なモータ
でもある。回生ブレーキ油圧システムにおいて油圧弁が
ロックしにくい等の優れた効果が期待できることは、上
記説明のとおりである。

【図面の簡単な説明】

【図１】集中巻のステータ＋ＩＰＭロータの断面構造図
である。

【図２】分割コアの一つのコマの構成図である。

【図３】ロータの構造説明図である。

【図４】ロータ断面参考図である。

【図５】巻線の結線図である。

【図６】ＩＰＭモータの性能試験に用いた実験装置を示
す図である。

【図７】モータの電流対トルク特性の関係を示す図であ
る。

【図８】トルクリップル率等（電流位相３０度）の関係
を示す図である。

【図９】モータの電流対トルク特性（電流位相４５度）
の関係を示す図である。

【図１０】トルクリップル率等（電流位相４５度）の関
係を示す図である。

【図１１】従来のブラシレスＤＣモータの断面図であ
る。

【図１２】ロータの構造図であり、（ａ）はＩＰＭ構造
例、（ｂ）はＳＰＭ構造例である。

【図１３】ＩＰＭモータの構造図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータに磁石を有する３相同期モータに
おいて、トルクリップルを有し、かつ、リップル率がほぼ５％か
ら３０％の範囲であることを特徴とするＰＭモータ。
【請求項２】請求項１に記載のＰＭモータにおいて、ステータが分割コアで作られ、集中巻の巻線を有してい
て、ロータ内に磁石を有するロータとを組み合わせたこ
とを特徴とするＰＭモータ。
【請求項３】請求項１または２に記載のＰＭモータに
おいて、制御側で対応するのではなくて、前記モータのハード側
で対応することを特徴とするＰＭモータ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のＰＭ
モータにおいて、前記モータに流せる最大電流の約１／３より大きな電流
域において、駆動電流が増加するにつれて、前記リップ
ル率が大きくなることを特徴とするＰＭモータ。