JP2003061272A - 永久磁石型回転電機及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コギングトルクの低減と負荷時のトルク脈動
の低減を両立させ、高性能化を図れる永久磁石型回転電
機及び電動パワーステアリング装置を得る。 【解決手段】 周方向に所定の間隔を介して配置された
複数の永久磁石６の磁極を有する回転子８と、永久磁石
６と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数
の突極１を有する固定子５とを備え、突極１の永久磁石
６と対向する面に４個の補助溝４ａ〜４ｄが設けられ、
補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の
開口部１１の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、補助
溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開
口部１１と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等
間隔にされ、巻線用スロット３の開口部１１の周方向の
間隔をＷ、巻線用スロット３の開口部１１の周方向の幅
及び補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅をｃとすると、０．
０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、永久磁石型回転
電機に関するものであり、特に電動パワーステアリング
装置に用いられる永久磁石型回転電機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、様々な用途にコギングトルクと負
荷時のトルク脈動の小さい回転電機が求められている。
特に、特に電動パワーステアリング装置に用いられる回
転電機に置いては、滑らかなステアリング感覚を得るた
めにその傾向が大である。

【０００３】そして、従来から、永久磁石型電動機のコ
ギングトルクを低減する手法として、例えば特公昭５８
−４２７０７号公報には、電機子突極の界磁部と対向す
る位置に補助溝を設けることにより、コギングトルクを
低減する技術が提案されている。そして特に、各突極に
４個ずつ補助溝を設けた場合には、２個ずつ設けた場合
に比較してコギングトルクの次数を大きくすることがで
きるためコギングトルクの低減により大きな効果を発揮
することが示されている。

【０００４】また、特公昭５８−４２７０７号公報で
は、巻線用スロットと補助溝は全体として等間隔または
ほぼ等間隔とすることが提案され、一方特開平１０−４
２５３１号公報では、各突極に４個ずつ補助溝を設け補
助溝の間隔を等間隔としないことが提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の従来の永久磁石型回転電機においては、巻線
用スロットと補助溝とが全体として等間隔に設けられて
いる、或いは等間隔に設けられていないのいずれにし
ろ、巻線用スロットの開口部の幅が適切でないと、コギ
ングトルクを低減出来なかったり隣り合う突極間に発生
する漏れ磁束により生じる磁気飽和によって負荷時のト
ルク脈動が大きくなることがあった。さらに、補助溝の
深さや幅が適切でないとコギングトルクを低減できない
場合があった。

【０００６】また、巻線用スロットと補助溝が、全体と
して等間隔でない場合には、コギングトルクの主たる原
因となるパーミアンスの空間的な変動の高調波成分（基
本波も含む）を増大させ、補助溝を設けない場合よりコ
ギングトルクが増大してしまう問題があった。特に、特
開平１０−４２５３１号公報に開示されている各突極に
４個ずつの補助溝を設けた例においては、補助溝が巻線
用スロットの近傍に位置しており、補助溝の幅や深さが
適切でないとコギングトルクの原因となりうるパーミア
ンスの空間的な変動の高調波成分を大幅に増大させ結果
的にコギングトルクを増大させてしまうという問題があ
った。また、特公昭５８−４２７０７号公報の例におい
ては、巻線用のスロット開口部の幅と補助溝の幅が２倍
程度異なるため、コギングトルクの主たる原因となるパ
ーミアンスの空間的な変動の高調波成分（基本波も含
む）を十分低減できていないという問題もあった。

【０００７】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、コギングトルクの低減と負荷時
のトルク脈動の低減を両立することを目的として、巻線
用スロットと補助溝は全体として等間隔またはほぼ等間
隔とし、さらに巻線用スロットの開口部の幅と補助溝の
深さや幅を適切に設定することによって、コギングトル
クの低減と負荷時のトルク脈動の低減を両立させ、高性
能化を図ることができる永久磁石型回転電機、およびこ
の永久磁石型回転電機を駆動源として用いる電動パワー
ステアリング装置を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係る永久磁石
型回転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された
複数の永久磁石の磁極を有する回転子と、永久磁石と対
向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極
を有する固定子とを備え、突極の永久磁石と対向する面
に補助溝が４個ずつ設けられ、補助溝の周方向の幅は、
巻線用スロットの開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅
とされ、補助溝の周方向の間隔は、巻線用スロットの開
口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔
にされ、巻線用スロットの開口部の周方向の間隔をＷ、
巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び補助溝の周方
向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５
である。

【０００９】また、この発明に係る他の永久磁石型回転
電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数の
永久磁石の磁極を有する回転子と、永久磁石と対向し周
方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極を有す
る固定子とを備え、突極の永久磁石と対向する面に補助
溝が４個ずつ設けられ、補助溝の周方向の幅は、巻線用
スロットの開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とさ
れ、補助溝の周方向の間隔は、巻線用スロットの開口部
と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にさ
れ、突極の周方向突起部の径方向厚さをａ、補助溝の深
さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２である。

【００１０】また、巻線用スロットの開口部の周方向の
間隔をＷ、巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び補
助溝の周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜
０．１２５であり、さらに、突極の周方向突起部の径方
向厚さをａ、補助溝の深さをｂとすると、０．２５＜ｂ
／ａ＜０．８２である。

【００１１】また、回転子と固定子との間に相対的にス
キューが施され、スキュー角は電気角６５度から７８度
の範囲である。

【００１２】また、スキュー角は、電気角７２度であ
る。

【００１３】さらに、この発明に係る電動パワーステア
リング装置は、上述の永久磁石型回転電機を駆動源とし
て用いる。

【００１４】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１はこの発明の
実施の形態１の永久磁石型回転電機の断面図である。ま
た、図２は図１の固定子の突極の先端部分（３個の突
極）を拡大して示す図である。図１において、１は固定
子５の突極であり、本実施の形態においては１２個の突
極を有している。２は突極１にそれぞれ巻回される巻線
である。３は巻線２が巻回されるために隣接する突極１
間に形成された巻線用スロットである。４ａ〜４ｄは突
極１の先端部に設けられた補助溝である。この補助溝は
各突極１の先端部に４個ずつ設けられている。補助溝４
ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の
幅と同じ幅とされ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間
隔は、巻線用スロット３の開口部と合わせて周方向に等
間隔にされている。

【００１５】一方、６は磁極を構成する永久磁石であ
り、極性の異なる磁極が交互に等間隔に配置されてい
る。本実施の形態においては８極の回転電機としてい
る。７は回転軸である。回転子８は永久磁石６と回転軸
７を有している。図２において、１１は巻線用スロット
３の開口部である。

【００１６】次に、動作を説明する。永久磁石型回転電
機が無負荷の状態のときに回転子８が回転すると、永久
磁石６と突極１との相互作用でコギングトルクが発生す
る。このコギングトルクが大きいと振動の原因となり、
回転電機の特性を悪化させる一因になる。また、このコ
ギングトルクは永久磁石６の起磁力成分と固定子突極１
のパーミアンスの変動成分を用いて考察することによ
り、回転子８の一回転あたり回転電機の極数とスロット
数の最小公倍数の脈動数を持っていることが従来より解
っている。そして、その最小公倍数が大きいほど、コギ
ングトルクも小さいことが一般に知られている。

【００１７】コギングトルクを低減する技術としては、
固定子８の突極１の先端部に補助溝を設け、仮想的にス
ロット数を増やし極数とスロット数の最小公倍数を増加
させるという方法がある。例えば、本実施の形態のよう
に８極１２スロットの永久磁石型回転電機においては、
補助溝を各突極１に４個ずつ設けた場合には、仮想的な
スロット数は６０となり、極数と補助溝も含めたスロッ
ト数との最小公倍数は１２０となり、大幅にコギングト
ルクが低減できることが想定される。

【００１８】しかしながら、補助溝の幅が適切でないと
コギングトルクを低減出来ない場合がある。また、巻線
用スロット３の開口部の幅が大きすぎるとコギングトル
クが増大する。一方、逆に小さすぎると、負荷時に電機
子巻線に流れる電流により生じる起磁力によって隣り合
う突極１間に漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によって
突極１に磁気飽和が生じる。そして、この磁気飽和によ
り負荷時のトルク脈動が大幅に増加する。このようなこ
とから、補助溝あるいは、巻線用スロット３の開口部の
幅にコギングトルクと負荷時のトルク脈動が小さくなる
範囲が存在すると推測される。

【００１９】本実施の形態においては、巻線用スロット
３の開口部１１の周方向の間隔と補助溝４ａ〜４ｄの周
方向の幅について考察した。まず、図２に示すように補
助溝４ａ〜４ｄの開口幅と巻線用スロット３の開口部１
１を等しくし、その幅をｃとする。一方、巻線用スロッ
ト３の間隔をＷとする。ここで、Ｗは、

【００２０】 Ｗ＝ 固定子内径（直径）×円周率／スロット数

【００２１】として定義する。ただし、ここで言う「ス
ロット数」には補助溝は含まれず、巻線用スロット３の
みの数である。

【００２２】このｃをＷで除した値をパラメータとすれ
ば、回転電機の補助溝の開口幅と巻線用スロット開口幅
とスロット間隔を規格化して表現できるため都合が良
い。すなわち、このパラメータに対するコギングトルク
や負荷時のトルク脈動の傾向を見ることで、コギングト
ルクや負荷時のトルク脈動を低減するための最適な範囲
を調べることが可能となる。

【００２３】そこで、定格トルクが約３Ｎｍで、通電す
る電流は正弦波状とする永久磁石型回転電機を設計し、
ｃ／Ｗに対するコギングトルクおよび負荷時のトルク脈
動の変化を磁界解析によって求めた。図３はその解析結
果を示す。横軸にｃ／Ｗをとり、縦軸にコギングトルク
の値（定格トルクに対する割合）と負荷時（ここでは定
格負荷時）のトルク脈動（平均トルクに対する割合）を
示す。また、実際のコギングトルクは工作誤差によって
解析結果より大きな値を持つことから、設計の余裕を持
たせるために図３では解析で求めたコギングトルクの３
倍の値を示している。（図５、図８についても同様であ
る。）

【００２４】図３から、負荷時のトルク脈動はｃ／Ｗが
小さいほど、すなわち補助溝４ａ〜４ｄおよび巻線用ス
ロット３の開口幅が小さいほど大きく。ｃ／Ｗが大きい
ほど、小さくなっていることが分かる。これは、ｃ／Ｗ
が小さいほど、隣り合う突極間に発生する漏れ磁束によ
り、突極の磁束密度が上昇し、トルク脈動が大きくなっ
たと思われる。逆にｃ／Ｗが大きくなるにつれて、磁気
飽和が緩和されトルク脈動が小さくなったと考えられ
る。特に０．０４０＜ｃ／Ｗの時には負荷時のトルク脈
動が平均トルクの約２％以下となる。

【００２５】一方、ｃ／Ｗが大きいほどコギングトルク
は大きい。これは、補助溝４ａ〜４ｄや巻線用スロット
３の開口幅が大きくなり、固定子突極１先端部のパーミ
アンスの脈動が大きくなったためと考えられる。また、
ｃ／Ｗが大きいと、等価的な空隙長が長くなり、トルク
が低下することもある。ｃ／Ｗが小さいほど、すなわち
開口幅が小さいほど、コギングトルクが小さい傾向にあ
るが、これは、補助溝４ａ〜４ｄや巻線用スロット３の
開口幅が小さくなり、固定子突極１先端部と空隙部のパ
ーミアンスの脈動が小さくなったためと考えられる。特
に、ｃ／Ｗ＜０．１２５の時にコギングトルクは非常に
小さく定格トルクの約０．５％になっていることが分か
る。

【００２６】このようなことから、この実施の形態の永
久磁石型回転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置
された複数の永久磁石６の磁極を有する回転子８と、永
久磁石６と対向し周方向に所定の間隔を介して配置され
た複数の突極１を有する固定子５とを備え、突極１の永
久磁石６と対向する面に補助溝が４個４ａ〜４ｄずつ設
けられ、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロ
ット３の開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、
補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３
の開口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等
間隔にされ、巻線用スロット３の開口部の周方向の間隔
をＷ、巻線用スロット３の開口部の周方向の幅及び補助
溝４ａ〜４ｄの周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜
ｃ／Ｗ＜０．１２５とされている。

【００２７】このように、巻線用スロット３の開口部の
周方向の間隔Ｗと、巻線用スロット３の開口部の周方向
の幅及び補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅ｃの関係を設定
することにより、固定子５の各突極１間に発生する漏れ
磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈
動を低減することができる。また、巻線用スロット３と
補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの脈動を低減する
ことができ、コギングトルクも大幅に低減することが可
能となる。

【００２８】尚、本実施の形態においては、補助溝４ａ
〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の幅
と同じ幅とされ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔
は、巻線用スロット３の開口部と合わせて周方向に等間
隔にされているが、上述の解析結果から解るように、補
助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開
口部の幅とほぼ同じ幅とされればほぼ同様の効果が得ら
れ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用ス
ロット３の開口部と合わせて周方向にほぼ等間隔にされ
ればほぼ同様の効果が得られる。

【００２９】また、本実施の形態においては、各磁極を
構成する永久磁石６は、全体で円筒状に構成されるもの
が用いられているが、各磁極は周方向に分離する独立し
た磁石とされても良い。

【００３０】実施の形態２．図４はこの発明の実施の形
態２の永久磁石型回転電機の固定子の突極の先端部分
（３個の突極）を拡大して示す図である。４ａ〜４ｄは
突極１の先端部に設けられた補助溝であり、実施の形態
１と同様に全ての固定子突極１に４個ずつ設けられてい
る。また、本実施の形態においては、実施の形態１と同
様に補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット
３の開口部１４の幅と同じ幅とされ、また補助溝４ａ〜
４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部１４
と合わせて周方向に等間隔にされている。

【００３１】補助溝４ａ〜４ｄは、実施の形態１で述べ
たように、コギングトルク低減のために設けられている
が、その深さが適切でないと、うまく補助溝としての機
能を果たすことが出来ず、コギングトルクを低減できな
い場合がある。これは、補助溝によるパーミアンスの脈
動と巻線用スロットによるパーミアンスの脈動を等価あ
るいはほぼ等価にしないとコギングトルクの低減を実現
できないからである。

【００３２】そこで、突極１の周方向突起部１ａの径方
向厚さをａとし、各補助溝４ａ〜４ｄの深さをｂとお
き、その比ｂ／ａを変化させて、コギングトルクを見る
こととした。このように補助溝４ａ〜４ｄの深さを、突
極１の周方向突起部１ａの径方向厚さａで規格化する
と、補助溝４ａ〜４ｄの深さによるコギングトルクの変
化を定性的に把握できるため都合が良い。

【００３３】ここでも、実施の形態１と同様に、定格ト
ルクは約３Ｎｍで、通電する電流は正弦波状である永久
磁石型回転電機を設計し、磁界解析を行った。この解析
結果を図５に示す。突極１の周方向突起部１ａの径方向
厚さａと補助溝の深さｂの比ｂ／ａを横軸にとり、縦軸
にコギングトルク（定格トルクに対する割合）をとって
いる。この結果から、ｂ／ａが大きすぎても、小さすぎ
てもコギングトルクが増大することが分かる。

【００３４】すなわち、補助溝４ａ〜４ｄの深さが浅過
ぎても深すぎても補助溝はうまく機能することができ
ず、コギングトルクの低減が十分でないことが言える訳
である。補助溝４ａ〜４ｄが浅過ぎる場合、補助溝にお
けるパーミアンスの脈動が巻線用スロット３のそれに比
べて小さいと考えられる。その結果、補助溝におけるパ
ーミアンスの脈動と巻線用スロット３のそれとが等価あ
るいはほぼ等価にならず、コギングトルクの低減が不充
分となったと考えられる。逆に補助溝の深さが大きすぎ
た場合には、補助溝におけるパーミアンスの脈動が巻線
用スロット３のそれに比べて大きくなってしまい、補助
溝におけるパーミアンスの脈動と巻線用スロット３のそ
れとが等価あるいはほぼ等価にならず、コギングトルク
の低減が不充分となったと考えられる。また、補助溝の
深さが大きすぎると、回転電機における等価的なエアギ
ャップが大きくなってしまうことで、トルクが低下して
しまうこともあるため、補助溝の深さは大きすぎないほ
うが良いのである。さらに、補助溝の深さが大きすぎる
と、各突極に設けられた４個の補助溝の内、両端の２個
の上部においてコアが非常に薄くなり、機械的な強度も
低下してしまうことからも、補助溝の深さは大きすぎな
いほうが良いといえる。

【００３５】そして、図５の解析結果から、特に０．２
５＜ｂ／ａ＜０．８２のときにはコギングトルクが大幅
に低減でき、定格トルクの約０．５％以下となっている
ことから、このように補助溝４ａ〜４ｄの深さと突極１
の周方向突起部１ａの径方向厚さａを設定することによ
り、補助溝の効果を十分に発揮でき、コギングトルクを
大幅に低減できる効果があると言える。

【００３６】すなわち、この実施の形態の永久磁石型回
転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数
の永久磁石６の磁極を有する回転子８と、永久磁石６と
対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突
極１を有する固定子５とを備え、突極１の永久磁石６と
対向する面に補助溝が４個４ａ〜４ｄずつ設けられ、補
助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開
口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、補助溝４ａ
〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部と
合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にさ
れ、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さをａ、補助
溝４ａ〜４ｄの深さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜
０．８２とされている。

【００３７】このように、突極１の周方向突起部１ａの
径方向厚さａと、補助溝４ａ〜４ｄの深さｂを設定する
ことにより、補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの変
動と巻線用スロット３によるパーミアンスの変動がほぼ
等価になることにより、コギングトルクを大幅に低減す
ることが出来る。

【００３８】実施の形態３．実施の形態１において、巻
線用スロットの開口部の幅と補助溝の幅ｃと巻線用スロ
ットの間隔Ｗを０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５なる関
係とすれば、固定子の各突極間に発生する漏れ磁束によ
り生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈動を低減
し、また、補助溝と巻線用スロットの開口部におけるパ
ーミアンスの脈動を低減しコギングトルクを低減できる
ことを説明した。また、巻線用スロットと補助溝による
パーミアンスの脈動を低減することができ、コギングト
ルクも大幅に低減することができるという効果があるこ
とも述べた。

【００３９】さらに、実施の形態２においては、突極の
周方向突起部の径方向厚さをａとし、各補助溝の深さを
ｂとおき、その比ｂ／ａを０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２
なる関係とすれば、補助溝の効果を十分に発揮すること
ができ、コギングトルクを大幅に低減できる効果がある
ということを説明した。

【００４０】しかしながら、いずれか一方の条件しか満
たしていない場合には、十分にコギングトルクを低減で
きない場合がある。すなわち、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜
０．１２５を満たしていても、０．２５＜ｂ／ａ＜０．
８２を満たしていない場合、補助溝におけるパーミアン
スの脈動と巻線用スロットにおけるパーミアンスの脈動
が等価にならず、コギングトルクを十分低減できないこ
とがある。

【００４１】また、逆に０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を
満たしていても、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５を満
たさない場合、例えばｃ／Ｗが大きすぎる場合には、ス
ロット開口幅や補助溝の幅が大きいために、パーミアン
スの脈動が大きくなりコギングトルクが十分低減できな
いことがある。

【００４２】このようなことから、０．０４０＜ｃ／Ｗ
＜０．１２５と０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を同時に満
たせば、コギングトルク低減に多大な効果を発揮すると
考えられる。

【００４３】図６にコギングトルクの解析結果を示す。
本発明の効果の大きさを説明するために補助溝を設けな
い場合のコギングトルクと固定子の各突極に４個の補助
溝を設け且つ０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５と０．２
５＜ｂ／ａ＜０．８２を同時に満たすような補助溝を設
けている場合のコギングトルクを示す。この解析結果
は、ｃ／Ｗ＝０．９５，ｂ／ａ＝０．３７５とした場合
の例である。横軸は回転子の位置を電気角で表してい
る。縦軸はコギングトルクで、分かりやすくするため、
補助溝を全く設けない場合のコギングトルクを１００％
として示している。固定子の各突極に４個ずつ補助溝を
設け、且つその補助溝の幅および深さを０．０４０＜ｃ
／Ｗ＜０．１２５と０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を同時
に満たすようにするとコギングトルクをわずか５％以下
にまで低減できていることが分かる。

【００４４】このようなことから、この実施の形態の永
久磁石型回転電機は、巻線用スロット３の開口部の周方
向の間隔をＷ、巻線用スロット３の開口部の周方向の幅
及び補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅をｃとすると、０．
０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５であり、さらに、突極１の
周方向突起部１ａの径方向厚さをａ、補助溝４ａ〜４ｄ
の深さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２とさ
れている。

【００４５】そのため、固定子８の各突極１間に発生す
る漏れ磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のト
ルク脈動を低減するとともに、巻線用スロット３と補助
溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの脈動を低減すること
ができ、コギングトルクも低減することが可能である。
また、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さと補助溝
４ａ〜４ｄの深さを、上述のように設定することによ
り、補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの変動と巻線
用スロット３によるパーミアンスの変動がほぼ等価にな
ることにより、コギングトルクを大幅に低減することが
出来る。

【００４６】実施の形態４．実施の形態１乃至３によっ
て負荷時のトルク脈動を低減し、コギングトルクも大幅
に低減出来ることを説明してきた。これらの発明によっ
ても負荷時のトルク脈動とコギングトルクの低減に十分
効果が得られるが、さらに低減する方法として、スキュ
ーを施す方法がある。永久磁石形回転電機の回転子や固
定子にスキューを施すことにより、コギングトルクの原
因となる永久磁石の起磁力高調波やトルク脈動の原因と
なる固定子の巻線に流れる電流がつくる起磁力高調波を
打ち消すことが出来るからである。

【００４７】図７はこの発明の実施の形態４の永久磁石
型回転電機の回転子の斜視図である。図７において、１
６は全体で円筒状に形成された永久磁石である。永久磁
石１６は、Ｎ極、Ｓ極が交互に並ぶように着磁されてお
り、本実施の形態は８極の回転子８となっている。そし
て、永久磁石１６は、図中θで示されているように、θ
の角度でスキューが形成されるように着磁されている。
尚、この磁石の配向は径方向になされたラジアル異方性
の磁石とされている。

【００４８】次に、スキューを施した構造とすること
で、負荷時のトルク脈動とコギングトルクが大幅に低減
できることを図８を用いて説明する。図８は図７で示し
たスキュー角θ（ここでは電気角で表す）を変化させた
ときに、負荷時のトルク脈動とコギングトルクがどのよ
うに変化するのかを磁界解析によって求めその結果を示
したものである。横軸はスキュー角を電気角で表し、縦
軸はコギングトルクと負荷時のトルク脈動を表してい
る。

【００４９】ここで、コギングトルクは定格トルクに対
する割合で示し、負荷時のトルク脈等は負荷時の平均ト
ルクに対する割合で示している。また、本実施の形態に
て扱う永久磁石型回転電機は図７に示されるように８極
で、固定子は図には示さないが巻線用のスロットが１２
個あり、この固定子の各突極にはそれぞれ４個ずつ補助
溝が設けられている。さらに、実施の形態１及び２で説
明した固定子形状に関するパラメータはｃ／Ｗ＝０．９
５、ｂ／ａ＝０．３７５としている。

【００５０】図８から明らかなように、コギングトルク
はスキューを施すことにより大幅に低減できることが分
かる。特に電気角６０度において、著しく低減できてい
るが概ね電気角３０度から１００度付近まではスキュー
がない場合に比べて、コギングトルクを十分低減できて
いるといえる。一方、負荷時のトルク脈動はおおよそ電
気角７２度付近にて最小となっていることが分かる。こ
の電気角７２度は、この永久磁石型回転電機の負荷時の
トルク脈動の主な原因となっている固定子巻線の起磁力
の第５高調波を完全に打ち消すことが出来るスキュー角
であるから、この角度にて負荷時のトルク脈動が大幅に
小さくなったと考えられる。例えば、負荷時のトルク脈
動を２％程度まで低減するためには、スキュー角θを電
気角６５度から電気角７８度までの範囲にすればよいと
いうことがこの磁界解析の結果から分かる。

【００５１】なお、本実施の形態においては、回転子８
にスキューを施した例を開示したが、固定子５にスキュ
ーを施しても、あるいは、固定子５および回転子８双方
にスキューを施しても同様の効果が得られることは言う
までもない。また、本実施の形態においては、回転子８
の磁石１６は円筒状とし、スキューを着磁によって施し
た例を開示したが、永久磁石は各磁極が周方向に分離し
た別個の磁石によって形成され、かつ別個の形状にてス
キューを施してもよいことは言うまでもない。さらに、
本実施の形態においては、スキューを施す方向が一方向
であるものについて述べたが、スキューを施す周方向の
向きを軸方向の中央部付近で反転させるいわゆるＶ型ス
キューでもよいことは言うまでもない。

【００５２】以上の結果から、固定子の各突極に４個ず
つ補助溝を設けた永久磁石型回転電機において、スキュ
ーを好ましくは電気角６５度〜７８度のスキューを施
す。さらに好ましくはスキュー角を電気角７２度とす
る。このように、スキューを施した構造とすることによ
り、コギングトルクや負荷時のトルク脈動を大幅に低減
することが可能となる。

【００５３】実施の形態５．図９はこの発明の電動パワ
ーステアリング装置の概念図である。図９において、１
７はステアリングホイール、１８はステアリングホイー
ル１７から操舵力を伝えるためのコラムシャフトであ
る。１９はウォームギヤ（図では詳細は省略し、ギヤボ
ックスのみ示している）であり、電動機２０の出力（ト
ルク、回転数）を回転方向を直角に変えながら伝達し、
同時に減速し、アシストトルクを増加させる。２１はハ
ンドルジョイントであり、操舵力を伝えると共に、方向
も変える。２２はステアリングギヤ（図では詳細は省略
し、ギヤボックスのみ示している）であり、コラムシャ
フト１８の回転を減速し、同時にラック２３の直線運動
に変換し、所要の変移を得る。このラック２３の直線運
動により車輪を動かし、車両の方向転換等を可能とす
る。

【００５４】上記のような電動パワーステアリング装置
では電動機２０にて発生するトルクの脈動がウォームギ
ヤ１９とコラムシャフト１８を介して、ステアリングホ
イール１７に伝達される。従って、電動機２０が大きな
トルク脈動を発生する場合、滑らかなステアリング感覚
を得ることが出来ない。また、電動機がアシストするた
めのトルクを発生しない状態においても、電動機が大き
なコギングトルクを発生するものであれば、滑らかなス
テアリング感覚を得ることが出来ない。電動パワーステ
アリング装置における一般的なギヤ比から換算すると、
ステアリングホイールにおいて滑らかなステアリング感
覚を得るためには、電動機が発生するコギングトルクは
定格トルクの０．５％程度以下、負荷時のトルク脈動を
平均トルクの２％程度以下にすれば良いというのが目安
となる。

【００５５】そこで、例えば、実施の形態４にて説明し
た電動機２０の固定子形状に関するパラメータはｃ／Ｗ
＝０．９５、ｂ／ａ＝０．３７５とし、スキュー角を電
気角７２度とすれば、トルクの脈動は平均トルクの約１
％となり、コギングトルクも定格トルクの０．１％以下
と非常に小さくなることから、滑らかなステアリング感
覚を得ることが出来る。また、本実施の形態ではコラム
シャフトを電動機のトルクによってアシストするコラム
アシスト式の電動パワーステアリング装置を示したが、
ラックを電動機のトルクによってアシストするラックア
シスト式の場合でもよいことは言うまでもない。

【００５６】このように、コギングトルクの低減と負荷
時のトルク脈動の低減を両立した実施の形態１〜４の永
久磁石型回転電機を電動パワーステアリング装置に組み
込むことにより、滑らかなステアリング感覚を得ること
ができるという効果がある。

【００５７】

【発明の効果】この発明に係る永久磁石型回転電機は、
周方向に所定の間隔を介して配置された複数の永久磁石
の磁極を有する回転子と、永久磁石と対向し周方向に所
定の間隔を介して配置された複数の突極を有する固定子
とを備え、突極の永久磁石と対向する面に補助溝が４個
ずつ設けられ、補助溝の周方向の幅は、巻線用スロット
の開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、補助溝
の周方向の間隔は、巻線用スロットの開口部と合わせ
て、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にされ、巻線
用スロットの開口部の周方向の間隔をＷ、巻線用スロッ
トの開口部の周方向の幅及び補助溝の周方向の幅をｃと
すると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５である。その
ため、固定子の各突極間に発生する漏れ磁束により生じ
る磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈動を低減するこ
とができる。また、巻線用スロットと補助溝によるパー
ミアンスの脈動を低減することができ、コギングトルク
も低減することが可能となる。

【００５８】また、この発明に係る他の永久磁石型回転
電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数の
永久磁石の磁極を有する回転子と、永久磁石と対向し周
方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極を有す
る固定子とを備え、突極の永久磁石と対向する面に補助
溝が４個ずつ設けられ、補助溝の周方向の幅は、巻線用
スロットの開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とさ
れ、補助溝の周方向の間隔は、巻線用スロットの開口部
と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にさ
れ、突極の周方向突起部の径方向厚さをａ、補助溝の深
さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２である。
そのため、補助溝によるパーミアンスの変動と巻線用ス
ロットによるパーミアンスの変動がほぼ等価になること
により、コギングトルクを大幅に低減することが出来
る。

【００５９】また、巻線用スロットの開口部の周方向の
間隔をＷ、巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び補
助溝の周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜
０．１２５であり、さらに、突極の周方向突起部の径方
向厚さをａ、補助溝の深さをｂとすると、０．２５＜ｂ
／ａ＜０．８２である。そのため、固定子の各突極間に
発生する漏れ磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷
時のトルク脈動を低減するとともに、巻線用スロットと
補助溝によるパーミアンスの脈動を低減することがで
き、コギングトルクも低減することが可能である。ま
た、突極の周方向突起部の径方向厚さと補助溝の深さ
を、このように設定することにより、補助溝によるパー
ミアンスの変動と巻線用スロットによるパーミアンスの
変動がほぼ等価になることにより、コギングトルクを大
幅に低減することが出来る。

【００６０】また、回転子と固定子との間に相対的にス
キューが施され、スキュー角は電気角６５度から７８度
の範囲である。そのため、コギングトルクや負荷時のト
ルク脈動を大幅に低減することが可能となる。

【００６１】また、スキュー角は、電気角７２度であ
る。そのため、コギングトルクや負荷時のトルク脈動を
さらに大幅に低減することが可能となる。

【００６２】さらに、この発明に係る電動パワースステ
アリング装置は、上述の永久磁石型回転電機を駆動源と
して用いる。そのため、コギングトルクと負荷時のトル
ク脈動を低減した永久磁石型回転電機を電動パワーステ
アリング装置に組み込むことにより、滑らかなステアリ
ング感覚を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１の永久磁石型回転電
機の断面図である。

【図２】 図１の固定子の突極の先端部分を拡大して示
す図である。

【図３】 コギングトルクと負荷時のトルク脈動の解析
結果を示すグラフである。

【図４】 この発明の実施の形態２の永久磁石型回転電
機の固定子の突極の先端部分を拡大して示す図である。

【図５】 コギングトルクの解析結果を示すグラフであ
る。

【図６】 コギングトルクの解析結果を示すグラフであ
る。

【図７】 この発明の実施の形態４の永久磁石型回転電
機の回転子の斜視図である。

【図８】 スキュー角に対するコギングトルクと負荷時
のトルク脈動の解析結果を示すグラフである。

【図９】 この発明の電動パワーステアリング装置の概
念図である。

【符号の説明】

１ 突極、１ａ 突極の周方向突起部、２ 巻線、３
巻線用スロット、４a〜４d 補助溝、５ 固定子、６，
１６ 永久磁石、７ 回転軸、８ 回転子、ｃ 巻線用
スロット開口部の幅及び補助溝の幅、Ｗ 巻線用スロッ
ト開口部の間隔、ａ 突極の周方向突起部の径方向の厚
さ、ｂ 補助溝の深さ、θ スキュー角。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡崎 正文 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 3D033 CA03 5H002 AA09 AB06 AE07 5H621 AA02 GA04 GA14 GA15 HH03 5H622 AA02 CA02 CB02 QB03

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周方向に所定の間隔を介して配置された
   複数の永久磁石の磁極を有する回転子と、上記永久磁石
   と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の
   突極を有する固定子とを備え、 上記突極の上記永久磁石と対向する面に補助溝が４個ず
   つ設けられ、 上記補助溝の周方向の幅は、巻線用スロットの開口部の
   幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、 上記補助溝の周方向の間隔は、上記巻線用スロットの開
   口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔
   にされ、 上記巻線用スロットの開口部の周方向の間隔をＷ、上記
   巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び上記補助溝の
   周方向の幅をｃとすると、 ０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５ であることを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 【請求項２】 周方向に所定の間隔を介して配置された
   複数の永久磁石の磁極を有する回転子と、上記永久磁石
   と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の
   突極を有する固定子とを備え、 上記突極の上記永久磁石と対向する面に補助溝が４個ず
   つ設けられ、 上記補助溝の周方向の幅は、巻線用スロットの開口部の
   幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、 上記補助溝の周方向の間隔は、上記巻線用スロットの開
   口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔
   にされ、 上記突極の周方向突起部の径方向厚さをａ、上記補助溝
   の深さをｂとすると、 ０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２ であることを特徴とする永久磁石型回転電機。
3. 【請求項３】 さらに、上記突極の周方向突起部の径方
   向厚さをａ、上記補助溝の深さをｂとすると、 ０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２ であることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回
   転電機。
4. 【請求項４】 上記回転子と上記固定子との間に相対的
   にスキューが施され、スキュー角は電気角６５度から７
   ８度の範囲であることを特徴とする請求項１から３のい
   ずれかに記載の永久磁石型回転電機。
5. 【請求項５】 上記スキュー角は、電気角７２度である
   ことを特徴とする請求項４に記載の永久磁石型回転電
   機。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかに記載の永久
   磁石型回転電機を駆動源として用いることを特徴とする
   電動パワーステアリング装置。