JP2005253168A - 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型軽量，高トルクで、しかも、静止摩擦の少ない永久磁石回転機、及びそれを用いた操作性のよい電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【解決手段】
固定子２は、固定子鉄心４と固定子巻線５からなる。固定子鉄心４は、円環状の固定子ヨーク部４１と、固定子ヨーク部４１に対して分割して形成されるとともに、固定子ヨーク部４１に固定された複数の固定子突極４２とからなる。固定子巻線５は、固定子突極４２にそれぞれ巻回されている。回転子３は、固定子２に対して回転可能に支持されるとともに、永久磁石６を有する。ここで、固定子突極４２の鉄心として、アモルファス鉄心を用いる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、永久磁石回転電機及びそれを用いた電動パワーステアリング装置に係り、特に、電動パワーステアリング装置等のように位置決めに用いるに好適な永久磁石回転電機及びそれを用いた電動パワーステアリング装置に関する。

近年、燃費低減，操作性向上から、自動車の電動化が進められている。すなわち、従来の自動車では、常時、駆動エネルギーを消費する従来の油圧を用いた方式を用いているのに対して、最近では、必要なときのみ駆動エネルギーを消費する電動システムを採用する方向にある。電動システムとしては、空気量を制御するスロットルアクチュエータ，ブレーキ装置，パワーステアリング装置，自動変速装置等が代表的なものである。ここで使用される回転電機としては、従来直流機が主に使用されていたが、小型化の観点から永久磁石回転電機が使用されようとしている。

この種の永久磁石回転電機としては、例えば、特開平８−４７１８５号公報に記載されているように、集中巻固定子を分割鉄心で構成し、固定子巻線をしやすくすることによって巻線の占績率を向上し、これによって巻線の抵抗を下げてモータの効率を向上させること，及び、鉄損を低減するために固定子鉄心の突極部に方向性の珪素鋼板を使用し、珪素鋼板を突極の磁束が透る方向に特性が良くなる方向に配置し、トルクの向上を図ることが知られている。

また、例えば、特開２００３−２５０２５４号公報に記載のように、固定子突極の数と永久磁石の極数を規定することで、電動パワーステアリング装置に永久磁石回転電機を使用した場合に問題となるコギングトルクの低減と、渦電流損の低減することが知られている。

特開平８−４７１８５号公報 特開２００３−２５０２５４号公報

一方、電動パワーステアリング及びその他自動車用のアクチュエータ、特に位置決めに使用されるに使用される永久磁石回転電機においては、さらに、摩擦トルクの低減が重要な課題となる。特に、電動パワーステアリングにおいては、摩擦トルクが大きいと操作のフィーリングが悪く、車両の方向を変えた場合に手を離した場合に自然にハンドルが戻らなくなるなどの欠点がある。特に、駆動トルクをアシストするために変速機を介して永久磁石回転電機の駆動力を伝えるタイプでは、永久磁石回転電機の摩擦トルクがギヤ比分拡大されるために一層その影響は大きくなる。

本発明の目的は、小型軽量，高トルクで、しかも、静止摩擦の少ない永久磁石回転機、及びそれを用いた操作性のよい電動パワーステアリング装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、円環状の固定子ヨーク部と、この固定子ヨーク部に対して分割して形成されるとともに、前記固定子ヨーク部に固定された複数の固定子突極とからなる固定子鉄心と、この固定子突極にそれぞれ巻回された複数の固定子巻線とからなる固定子と、この固定子に対して回転可能に支持されるとともに、永久磁石を有する回転子とからなる永久磁石回転電機において、前記固定子突極の鉄心として、アモルファス鉄心を用いるようにしたものである。
かかる構成によれば、小型軽量，高トルクで、しかも、静止摩擦の少ない回転電機とし得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記永久磁石回転子の磁極数を、６以上としたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記固定子ヨーク部は、分割して形成されているものである。

（４）また、上記目的を達成するために、本発明は、円環状の固定子ヨーク部と、こ
ハンドルの操作力を車輪に伝達する伝達機構に接続された永久磁石回転電機と、前記ハンドルの操作トルクを検出するトルク検出手段と、このトルク検出手段によって検出された操作トルクに応じて、前記永久磁石回転電機の駆動トルクを制御する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置であって、前記永久磁石回転電機は、円環状の固定子ヨーク部と、この固定子ヨーク部に対して分割して形成されるとともに、前記固定子ヨーク部に固定された複数の固定子突極と、この固定子突極にそれぞれ巻回された複数の固定子巻線とからなる固定子と、この固定子に対して回転可能に支持されるとともに、永久磁石を有する回転子とからなり、前記固定子突極の鉄心として、アモルファス鉄心を用いるようにしたものである。
かかる構成により、永久磁石回転電機の静止摩擦トルクを低減して、電動パワーステアリング装置の操作性を向上し得るものとなる。

本発明によれば、永久磁石回転機を、小型軽量，高トルクで、しかも、静止摩擦の少ないものとすることができる。

また、この永久磁石回転電機を用いて、電動パワーステアリング装置の操作性を向上することができる。

以下、図１及び図２を用いて、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の構成について説明する。ここでは、一実施例として、固定子として集中巻の巻線構造で、固定子突極数は１２個で，回転子の極数は１０個の永久磁石電動機を例にして説明する。
図１，図２は、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。図１は回転軸に平行な方向の断面図であり、図２は回転軸に直交する方向の断面図であるとともに、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお、図１と図２において、同一符号は、同一部分を示している。

図１に示すように、永久磁石回転電機１は、固定子２と、回転子３と、エンドブラケット９Ａ，９Ｂとを備えている。固定子２は、固定子鉄心４と、固定子巻線５とを備えている。回転子３は、磁性体からなる回転子鉄心７と、シャフト８とを備えている。また、回転子３は、回転子鉄心７に嵌挿したシャフト８を介して、エンドブラケット９Ａ，９Ｂに嵌挿したベアリング１０Ａ，１０Ｂにて、回転可能に保持されている。なお、固定子鉄心４の外周にフレームが無い構成で示したが、必要によってはフレームを用いてもよいものである。

回転子３のシャフト８上には、回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳと、位置検出器Ｅとが備えられている。回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳ，位置検出器Ｅによって検出された回転子位置に応じて、固定子巻線５に３相の電流を加えることによって回転磁界を発生させる。この回転磁界と回転子３の永久磁石の間に磁気的な吸引，反発力を発生させて、連続的な回転力を発生させるものである。ここで、電流の位相を適切に選択することによって、最大のトルクで運転することが可能である。

また、この永久磁石回転電機１において、永久磁石回転電機のシャフト８の軸方向端部に変速機を備えるようにしてもよいものである。

次に、図２に示すように、固定子鉄心４は、円環状の固定子ヨ−ク４１と、固定子ヨーク４１の内周側に半径方向に突出するように取り付けられた固定子突極４２とからなる。隣接する固定子突極４２の間には、固定子巻線５を収納するスロット４３が設けられている。

固定子突極４２の数は１２個であり、固定子突極４２に巻回された固定子巻線５は、４個のＵ相巻線Ｕ１＋，Ｕ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−と、４個のＶ相巻線Ｖ１＋，Ｖ１−，Ｖ２＋，Ｖ２−と、４個のＷ相巻線Ｗ１＋，Ｗ１−，Ｗ２＋，Ｗ２−の１２個からなる。なお、巻線を示すＵ，Ｖ，Ｗの添字の１，２は固定子巻線番号を示し、＋，―は固定子巻線５の巻き方向を示すものである。例えば、Ｕ相巻線Ｕ１＋，Ｕ２＋は、同方向の巻回方向であり、Ｕ相巻線Ｕ１＋，Ｕ２−は、逆方向の巻回方向である。また、本実施形態では、回転子の極数に合わせて一相当たり４突極の例を示している。

ここで、固定子鉄心４を構成する固定子ヨーク部４１と、固定子突極４２とは、それぞれ個別に分割されて形成されている。分割された固定子突極４２に予めコイル状に成形された固定子巻線５を挿入した上で、固定子ヨーク部４１に固定されることにより、固定子鉄心４が形成される。このように、分割鉄心を使用することによって固定子巻線５を整列に巻回でき、高占積率の巻線とすることで永久磁石回転電機を小型軽量化することができる。なお、固定子ヨーク部４１は、必要に応じて周方向に複数に分割する構成でもよいものである。

回転子３の表面には、１０個の永久磁石６が固定されている。永久磁石６の極性は、隣り合う永久磁石同士が反対極性（Ｎ−Ｓ−Ｎ−Ｓ−）となるように配置されている。この永久磁石回転子の磁極を６以上とすることが好ましいものである。

さらに、本実施形態では、固定子突極４２に一つの固定子巻線４１を有し、かつ固定子突極４２が分割された個別の鉄心から構成される構成の固定子２と、永久磁石６を有する回転子３とからなる永久磁石回転電機において、固定子突極４２の鉄心として、アモルファス鉄心を有することを特徴とするものである。アモルファスを使用することにより、特に鉄損を小さくすることができる。

ここで、アモルファス鉄心により鉄損が小さくなる理由について説明する前に、永久磁石回転電機における静止摩擦トルクの発生要因について説明する。

一般に、永久磁石の回転電機の鉄損Ｗfeは、渦電流損Ｗiとヒステリシス損Ｗhからなり、以下の式（１）式で表される。

Ｗfe＝Ｗｉ＋Ｗｈ
＝ｋｉ・（Ｆ）^２・（Ｂ）^２＋ｋｈ・（Ｆ）・（Ｂ）^２ …（１）

ここで、Ｆ：周波数であり、ｋｉ：渦電流損の係数であり、ｋｈ：ヒステリシス損の係数であり、Ｂ：磁束密度である。

従って、鉄損により生じるロストルクＴfeは，以下の式（２）式で表される。

Ｔfe＝Ｔi＋Ｔｈ
＝ｋｉ１・（Ｆ）・（Ｂ）^２＋ｋｈ１・Ｂ）^２ …（２）

ここで、Ｔｉ：鉄損によるロストルクの渦電流損による成分であり、Ｔｈ： 鉄損によるロストルクのヒステリシス損による成分であり、ｋｉ１，ｋｈ１：定数である。

従って、低速での運転においては、鉄損によるロストルクＴfeのうち、渦電流損による成分Ｔiは周波数Ｆの関数となるために、十分小さな値となるが、ヒステリシス損による成分Ｔhは周波数Ｆの関数とならないために一定の値となる。このヒステリシス損による成分のロストルクが静止トルクとして発生する。その他、ベアリング等による機械的な摩擦トルクもあるが、これらの機械的な摩擦トルクは、一般には、ヒステリシス損による摩擦トルクに比較して小さいものである。

また、上記の摩擦トルクの発生部位としては、固定子突極４２と固定子ヨーク部４１とがあるが、磁束密度の関係から固定子突極４２の占める割合が大きいものである。

また、極数に関しては、固定子突極４２と固定子ヨーク部４１の磁束密度が等しい場合には、定数ｋｉ１，ｋｈ１は極数に比例するために、多極化すると、摩擦トルクは増加することになる。

次に、（表１）を用いて、永久磁石回転電機の固定子突極４２に用いる材料特性について説明する。

（表１）は、無方向生珪素鋼板，６．５％珪素鋼板，方向性珪素鋼板，Ｆｅ基アモルファスの鉄損特性を示している。これは、条件としては、磁束密度１テスラ，周波数５０Ｈｚであり、この周波数ではヒステリシス損の占める割合が多いと見られる。

（表１）から理解されるように、固定子突極４２の材料としてアモルファスを使用することによって、無方向生珪素鋼板，６．５％珪素鋼板よりも鉄損を数分の１に小さくすることができる、また、方向性珪素鋼板を用いた場合に比較して、２〜３分の１にすることができる。

以上のように、固定子突極の材料としてアモルファス材料を使用使用することにより特に鉄損を小さくすることができる。したがって、静止摩擦トルクを小さくすることができる。アモルファス材料としては、価格的に安いＦｅ基アモルファスが好ましいものである。

一方、鉄損を材料間で一定になるように設計すると、アモルファスを使用した永久磁石回転電機１では、従来材料に対して、永久磁石の極数をあげることができる。すなわち、鉄損のヒステリシス損による係数ｋｈ，ｋｈ１は極数に比例するもので、アモルファスを使用することによって極数を向上させることができる。一般に、アモルファス材は飽和磁束密度が一般の珪素鋼板に比較して低いために小型化しにくいが、ヒステリシス損の低減による多極化によって、一般の珪素鋼板、及び方向性珪素鋼板を用いた場合よりも小型軽量化が可能である。

以上、永久磁石回転電機１として、図１，図２に示した構造を有するものとしたが、本発明は以上の構造に限定されるものではなく、例えば、固定子ヨーク部４１と固定子突極４２とが分割された分布巻構成の固定子を用いた永久磁石回転電機でもよく、図１と異なる永久磁石極数、固定子突極数を有する永久磁石回転電機でも良いものである。

次に、図３を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機１を用いた電動パワーステアリング装置の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機１を用いた電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック構成図である。

電動パワーステアリング装置１００においては、ドライバがハンドル１０１を操作すると、ステアリングシャフト１０２に設けられたトルクセンサ１０３を介してコントローラ１０５に感知される。コントローラ１０５は、トルクセンサ１０３の出力に基づいて、バッテリ１０７の電圧を、コントローラ１０５を介して、永久磁石回転電機１に供給し、永久磁石回転電機１を駆動して、所望のトルクを発生する。永久磁石回転電機１が発生したトルクは、ドライバによるハンドル１０１の操作時のトルクに加えられ、減速機１０４，ラックアンドピニオンギヤ１０７を介して、タイヤ１０５に伝達され、トルクを発生し、ドライバの操作をアシストする。これによって、タイヤ１０８を所望の運転方向に向けることができる。

ここで、本実施形態では、分割鉄心を使用することによって永久磁石回転電機の小型軽量化が図れると共に、上述したように固定子突極の材料としてアモルファス鉄心を採用することで、永久磁石回転電機１の静止摩擦トルクの原因であるヒステリシストルクを大きく低減することができる。

アモルファス鉄心を使用した永久磁石回転電機１では、第１には、ヒステリシストルクを小さくできることから操作性の良い電動パワーステアリング装置を得ることができる。

また、ラックアンドピニオンギヤ１０７の側での許容静止摩擦トルクを一定とすると、減速機のギヤ比を大きく取ることができる。その結果、永久磁石回転電機を小さくすることができ、小型軽量の電動パワーステアリング装置を提供できる。

また、ヒステリシス損による静止摩擦トルクを一定とすると、永久磁石回転電機として多極化が可能であり、小型軽量の永久磁石回転電機にでき、小型軽量の電動パワーステアリングを提供できる。

以上のようにして、本実施形態によれば、操作性の良い、小型軽量の電動パワーステアリング装置を得ることができる。。

以上の説明では、電動パワーステアリング装置について説明したが、特に自動車に使用される永久磁石回転電機のうち、減速機や、永久磁石回転電機を用いて位置決めしようする装置，例えば電動スロットル装置や、自動変速機装置や、電動ブレーキ装置等は、本実施形態の永久磁石回転電機を使用することによって、位置決め精度の向上によるシステム性能の向上、システムの小型軽量化等をを図ることができる。

本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態による永久磁石回転電機１を用いた電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック構成図である。

符号の説明

１…永久磁石回転電機
２…固定子
３…回転子
４…固定子鉄心
５…固定子巻線
６…永久磁石
７…回転子鉄心
８…シャフト
９Ａ，９Ｂ…エンドブラケット
１０Ａ，１０Ｂ…ベアリング
１１…
４１…固定子ヨーク部
４２…固定子突極
４３…スロット
１００…電動パワーステアリング装置
１０１…ハンドル
１０２…ステアリングシャフト
１０３…トルクセンサ
１０４…減速機
１０５コントローラ
１０６…バッテリ
１０７…ラックアンドピニオンギヤ
１０８…タイヤ

Claims (4)

1. 円環状の固定子ヨーク部と、この固定子ヨーク部に対して分割して形成されるとともに、前記固定子ヨーク部に固定された複数の固定子突極とからなる固定子鉄心と、この固定子突極にそれぞれ巻回された複数の固定子巻線とからなる固定子と、
   この固定子に対して回転可能に支持されるとともに、永久磁石を有する回転子とからなる永久磁石回転電機において、
   前記固定子突極の鉄心として、アモルファス鉄心を用いることを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記永久磁石回転子の磁極数を、６以上としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記固定子ヨーク部は、分割して形成されていることを特徴とする永久磁石回転電機。
4. ハンドルの操作力を車輪に伝達する伝達機構に接続された永久磁石回転電機と、前記ハンドルの操作トルクを検出するトルク検出手段と、このトルク検出手段によって検出された操作トルクに応じて、前記永久磁石回転電機の駆動トルクを制御する制御手段とを有する電動パワーステアリング装置であって、
   前記永久磁石回転電機は、円環状の固定子ヨーク部と、この固定子ヨーク部に対して分割して形成されるとともに、前記固定子ヨーク部に固定された複数の固定子突極と、この固定子突極にそれぞれ巻回された複数の固定子巻線とからなる固定子と、
   この固定子に対して回転可能に支持されるとともに、永久磁石を有する回転子とからなり、
   前記固定子突極の鉄心として、アモルファス鉄心を用いることを特徴とする電動パワーステアリング装置永久磁石回転電機。
   

Images