JP2006187131A - 永久磁石回転電機及びそれを用いた車載電動アクチュエータ装置用電機システム並びに電動パワーステアリング装置用電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】
製作誤差による脈動トルクを低減した永久磁石回転電機を提供する。
【解決手段】
上記課題を解決するために、等間隔に配列された永久磁石磁極を持つ永久磁石回転子と、電機子巻線を巻回した突極磁極を持つ固定子とを備え、永久磁石が複数の分割された永久磁石片から構成されている。又は、固定子の突極磁極が分割されて永久磁石回転電機において、永久磁石の極数又は突極磁極数より低次であって、回転子又は固定子の磁気的なアンバランスを補正する補正手段を固定子又は回転子に設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石回転電機及びそれを用いた車載電動アクチュエータ装置用電機システム並びに電動パワーステアリング装置に関する。

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。常時、駆動エネルギーを消費する従来の油圧方式よりも、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の採用の方向にある。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、小型化の観点から集中巻永久磁石回転電機が使用されようとしている。

この種の集中巻永久磁石回転電機においては、搭載スペーサの観点から小型軽量であること、高負荷での運転時間の確保のために高効率であること、操作性向上のためにコギングトルクの小さいことなどが要求される。これに対して、集中巻永久磁石回転電機の構造選択としては集中巻，分割鉄心の採用，永久磁石の極数と突極磁極数の適切な選択等によって実現できる。この種の永久磁石回転電機の背景技術としては、例えば特許文献１，２に開示されたものが知られている。

これらの特許文献には、集中巻によりエンドコイル長が短縮でき、かつ永久磁石の極数と突極磁極数を適切に選択することにより、コギングトルクおよび、磁石渦電流の低減をさせ、操作性をよくできること、さらには分割磁極を用いることによって占積率を向上した永久磁石回転電機にすることができることが開示されている。

特開２０００−２３６６３８号公報 特開２００３−２５０２５４号公報

以上の方式により、ある程度の小型軽量化，高効率化、またコギングトルクの小さい集中巻永久磁石回転電機を実現できるが、特に固定鉄心を分割することで新に脈動トルクが発生する。車載電動アクチュエータ装置の中でも特に電動パワーステアリング装置では手動による運転のために、微少のトルク脈動を感知し、操作性が悪くなってしまう。このトルク脈動はレベルが非常に小さいこと、また製作精度を向上することによって小さく出来るが、構成部品の各寸法の精度を向上させる必要がある。このため、生産性が損なわれるという課題があった。

本発明は、製作誤差に起因して生じるトルク脈動の低減が可能な永久磁石回転電機を提供する。

本発明の代表的な特徴は、固定子又は回転子に、突極磁極又は回転磁極の数よりも低い次数のものであって、固定子又は回転子の磁気的なアンバランスを補正するための補正手段を設けたことにある。

また、本発明は、上記永久磁石回転電機を備えた車載電動アクチュエータ装置用電機システムを提供する。

さらに、本発明は、上記永久磁石回転電機を備えた電動パワーステアリング装置用電機システムを提供する。

本発明によれば、製作誤差に起因して生じるトルク脈動の低減が可能になるので、構成部品の各寸法の精度向上によって永久磁石回転電機の生産性が損なわれることがない。従って、本発明によれば、小型軽量で高効率かつ操作性に優れた永久磁石回転電機を安価に提供できる。

また、本発明によれば、上記永久磁石回転電機を備えた車載電動アクチュエータ装置用電機システムを提供できる。

さらに、本発明によれば、上記永久磁石回転電機を備えた電動パワーステアリング装置用電機システムを提供できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

本発明の永久磁石回転電機は、車載電動アクチュエータ装置用電機システムに適用される電動機として好適なものである。以下の説明では、車載電動アクチュエータ装置として電動パワーステアリング装置を例に挙げて説明する。

まず、図６を用いて、本実施例の電動パワーステアリング装置の概略構成について説明する。

図６は、本実施例の電動パワーステアリング装置のシステム構成を示す。

本実施例の電動パワーステアリング装置（以下、「ＥＰＳ」という）１００は、ステアリングシャフト（コラム）の近傍に永久磁石回転電機１を設け、ステアリングシャフトをアシストするコラム式ＥＰＳである。

尚、ＥＰＳとしては、ラックアンドピニオンギヤの近傍にモータを設けてピニオンギヤをアシストするピニオン式ＥＰＳ、ラックアンドピニオンギヤの近傍にモータ設けてラックをアシストするラッククロス式ＥＰＳなどがある。本実施例の永久磁石回転電機１はそれらのＥＰＳにも適用可能である。

運転者がステアリングホイール（ハンドル）１０１を回転させると、その主操舵力（回転力）は、ステアリングシャフト１０２を介してラックアンドピニオンギヤ１０７に伝達される。また、ステアリングシャフト１０２には、永久磁石回転電機１から出力された補助操舵力（回転力）が減速機１０４を介して伝達される。

ラックアンドピニオンギヤ１０７は、入力された主操舵力（回転力）と補助操舵力（回転力）とを直線の往復力に変換して左右のタイロッドに伝達する機構であり、ラックギヤが形成されたラックシャフト（いずれも図示省略）と、ピニオンギヤが形成されたピニオンシャフト（いずれも図示省略）から構成されている。ラックギヤとピニオンギヤは動力変換部（図示省略）において噛み合っており、ここで、回転力が直線の往復力に変換される。

ラックアンドピニオンギヤ１０７において直線の往復力に変換された操舵力は、ラックシャフトに連結された左右のタイロッドに伝達され、左右のタイロッドら左右の車輪に伝達される。これにより、左右の車輪は舵取りされる。

ステアリングシャフト１０２にはトルクセンサ１０３が設けられている。トルクセンサ１０３は、ステアリングホイール１０１に与えられた操舵力（回転トルク）を検出するためのものである。

永久磁石回転電機１は制御装置１０５によって制御されている。永久磁石回転電機１と制御装置１０５はＥＰＳのアクチュエータ（電機システム）を構成している。ＥＰＳは車載用のバッテリ１０６を電源としている。制御装置１０５はインバータ装置であり、トルクセンサ１０３の出力に基づいて、永久磁石回転電機１の出力トルクが目標トルクとなるように、バッテリ１０６から供給された直流電力を多相の交流電力に変換し、永久磁石回転電機１に供給している。

本実施例では、コギングトルクが小さく、小型軽量，高効率の集中巻式の永久磁石回転電機１をＥＰＳに用いているので、操作性のよい、コンパクトなＥＰＳを提供できる。

次に、図５を用いて、本実施例のＥＰＳに用いられる電動アクチュエータ（電機システム）の電気的な接続関係について説明する。

図５は、本実施例のＥＰＳに用いられる電動アクチュエータ（電機システム）の電気的な回路構成を示す。

制御装置１０５は、インバータ主回路（変換回路）を構成するパワーモジュール１６と、パワーモジュール１６のパワー半導体スイッチング素子のオン・オフ動作（スイッチング動作）を制御する制御モジュール２２とを備えている。パワーモジュール１６のインバータ主回路は、６つのパワー半導体スイッチング素子をブリッジ接続して構成した３相ブリッジ回路から構成されている。パワーモジュール１６のインバータ主回路の入力側（直流側）にはバッテリ１０６が、出力側（交流側）には永久磁石回転電機１の電機子巻線５がそれぞれ電気的に接続されている。パワーモジュール１６の６つのパワー半導体スイッチング素子のそれぞれのスイッチングを制御モジュール２２で制御することにより、バッテリ１０６から出力された直流電力は、パワーモジュール１６のインバータ主回路において３相交流電力に変換され、永久磁石回転電機１の電機子巻線５に供給される。

制御モジュール２２は、パワー半導体スイッチング素子のオン・オフ動作（スイッチング動作）を制御するための制御信号を生成し、その制御信号をパワーモジュール１６のドライバ回路(図示省略)に出力する制御部を構成している。制御モジュール１６には、入力パラメータとして、トルクセンサ１０３によって検出されたステアリングホイール１０１のトルク検出値Ｔｆ，エンコーダＥによって検出され、Ｆ／Ｖ変換器１８によって変換された回転子３の回転速度検出値ωｆ及びレゾルバＰＳによって検出された回転子３の磁極位置検出値θｍが入力される。

トルク検出値Ｔｆはトルク指令値Ｔｓと共にトルク制御回路１７に入力される。トルク制御回路１７は、トルク検出値Ｔｆとトルク指令値Ｔｓに基づいてトルク目標値Ｔｅを算出し、この算出されたトルク目標値Ｔｅの比例積分などによって電流指令値Ｉｓ及び回転角θ１を出力する。回転角θ１は、エンコーダＥから出力された位置情報θと共に位相シフト回路２３に入力される。位相シフト回路２３は、回転子３の位置情報θを、回転角
θ１の指令に応じて位相シフトし、回転角θａとして出力する。回転角θａは磁極位置検出値θｍと共に正弦波・余弦波発生回路１９に入力される。正弦波・余弦波発生回路１９は、回転角θａ及び磁極位置検出値θｍに基づいて電機子巻線５の各相巻線（ここでは３相）の誘起電圧を位相シフトした正弦波基本波形（駆動電流波形）値Ｉａｖを発生して出力する。尚、上記位相シフト量は零の場合でもよい。

正弦波基本波形（駆動電流波形）値Ｉａｖは電流指令値Ｉｓと共に２相−３相変換回路２０に入力される。２相−３相変換回路２０は、正弦波基本波形(駆動電流波形)値Ｉａｖ及び電流指令Ｉｓに基づいて、各相に対応した電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃを出力する。制御モジュール２２は各相個別に電流制御系２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを備えている。各相の電流制御系２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃには、対応する相の電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと、対応する相の電流検出値Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃが入力される。電流検出値
Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃは電流検出器ＣＴによって検出されたものであり、パワーモジュール１６の変換回路から各相の電機子巻線５に供給された相電流である。各相の電流制御系２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃは、対応する相の電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと、対応する相の電流検出値Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃに基づいて、対応する相のパワー半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御するための制御信号を出力する。各相の制御信号は、パワーモジュール１６の対応する相のドライバ回路（図示省略）に入力される。

パワーモジュール１６の各相のドライバ回路（図示省略）は、対応する相の制御信号に基づいて、対応する相のパワー半導体スイッチング素子のスイッチング動作させるための駆動信号を出力する。各相の駆動信号は、対応する相のパワー半導体スイッチング素子に入力される。パワー半導体スイッチング素子がスイッチング動作すると、電機子巻線５には、バッテリ１０６から供給された直流電力が交流電力に変換されて供給される。永久磁石回転電機１は回転子３の回転位置に応じた回転磁界を発生し、回転子３が回転する。

電機子巻線５に供給される各相電流の合成電流は、界磁磁束に直角或いは位相シフトした位置（各相電流の合成の起磁力を永久磁石より９０度以上進ませる制御を弱め界磁制御という）に常に形成される。これにより、無整流子で、かつ直流機と同等の特性を得ることができる。

制御装置１０５によって電機子巻線５に流す電流の作る電機子起磁力の合成ベクトルを永久磁石の中心より９０度の位置に作ることによって最大トルクを発生し、また、位相を必要に応じてシフトすることによって、高速まで回転を可能にできる。

このような制御により、３相の正弦波誘起電圧と３相の正弦波電流とが作る出力（トルク）は回転によらず、脈動のない一定の出力を得ることができる。

次に、図１乃至図４を用いて、本実施例のＥＰＳに用いられる永久磁石回転電機につて詳細に説明する。

図１，図２は、本実施例のＥＰＳに用いられる永久磁石回転電機の全体構成を示す。

本実施例の永久磁石回転電機１は、車載バッテリ（例えば出力電圧１２Ｖ）を電源とするものであり、ステアリングシャフトの近傍に配置される。従って、取り付け位置の制限から小型化が必要であると共に、ステアリングをパワーアシストすることから大トルク
（例えば、４.Ｎｍ）の出力が必要である。

永久磁石回転電機１は、固定子２と、この固定子２の内側に回転可能に支持された回転子３とを備えた、表面磁石型の同期電動機である。永久磁石回転電機１は、１４ボルト系電源（出力電圧が１２ボルトのバッテリ）から供給される電力で駆動される。尚、車載電源としては、２４ボルト系電源若しくは４２ボルト系電源（バッテリの出力電圧３６ボルト）又は４８ボルト系電源があり、自動車の種類によって、永久磁石回転電機１の駆動電源電圧が変わる。本実施例のＥＰＳは、上記いずれの電源にも対応可能である。

固定子２は、珪素鋼板を積層した磁性体で形成された固定子鉄心１１２と、固定子鉄心４のスロット内に保持された電機子巻線５とを備えている。固定子鉄心４は、円環状の固定子ヨーク４１４１と、この固定子ヨーク４１とは分離して作られ、その後、固定子ヨーク４１に機械的に固定された複数の突極磁極鉄心４２とから構成される。複数の突極磁極鉄心４２には、それぞれ、電機子巻線５が巻回されている。電機子巻線５は分布巻あるいは集中巻の方式で巻かれている。

電機子巻線５を分布巻とすると弱め界磁制御に優れ、また、リラクタンストルクの発生にも優れる。永久磁石回転電機１としては、モータの小型化や巻線抵抗の低減がたいへん重要である。電機子巻線５を集中巻とすることにより、電機子巻線５のコイルエンド長を短くできる。これにより、永久磁石回転電機１の回転軸方向の長さを短くすることができる。また、電機子巻線５のコイルエンドの長さを短くできるので、電機子巻線５の抵抗を小さくでき、モータの温度上昇を抑えることができる。また、コイル抵抗を小さくできることから、モータの銅損を小さくできる。したがって、モータへの入力エネルギーの内、銅損によって消費される割合を小さくでき、入力エネルギーに対する出力トルクの効率を向上することができる。

また、永久磁石回転電機１はステアリングシャフト（コラム）の近傍に置かれる場合、ラックアンドピニオンの近傍に置かれる場合などがあるが、何れも小型化が要求される。また、小型化された構造で電機子巻線を固定することが必要であり、巻線作業が容易なことも重要である。分布巻に比べ集中巻は巻線作業，巻線の固定作業が容易である。

電機子巻線５は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３相から構成され、それぞれ複数の単位コイルから構成される。複数の単位コイルは、コイルエンド部において３相の各相毎に、板状導体から形成された結線リング１１１１によって結線されている。

永久磁石回転電機１は大きなトルクが要求される。例えば車の走行停止状態、あるいは走行停止に近い運転状態でステアリングホイール（ハンドル）が速く回転されると操舵車輪と地面との間の摩擦抵抗のため、上記モータには大きなトルクが要求される。このときには大電流がステータコイルに供給される。この電流は条件により異なるが１００アンペア以上の電流が流れる。このような大電流を安全に供給でき、また上記電流による発熱を低減するために、板状導体から形成された結線リング１１を用いることはたいへん重要である。上記結線リング１１を介して電機子巻線５に電流を供給することにより接続抵抗を小さくでき、銅損による電圧降下を押えることができる。このことにより、大電流の供給が容易になる。また、インバータの素子の動作に伴う電流の立ち上がり時定数が小さくなる効果がある。

回転子３は、珪素鋼板を積層した磁性体からなる回転子鉄心７と、この回転子鉄心７の表面に接着剤によって固定された複数の永久磁石である永久磁石片６を備えている。永久磁石片６は、希土類磁石であり、例えば、ネオジウムからなる。回転子鉄心７は、シャフト８に固定されている。尚、永久磁石片６の飛散を防止するために、永久磁石片６の外周側（固定子側）の全周を覆うように、マグネットカバーを設けたり、テープを巻きつけたりしても良い。

固定子鉄心４は、軸方向両側からカップ状のブラケット９によって挟み込まれるようにして支持固定されている。ブラケット９には軸受１０が設けられている。軸受１０はシャフト８を回転可能に軸支している。シャフト８上には、回転子３の位置を検出するためのレゾルバＰＳと、エンコーダＥが設けられている。

結線リング１１によって接続されたＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相には、パワーケーブルを介して、外部のバッテリから電力が供給される。

固定子２及び回転子３の構成をさらに具体的に説明する。

固定子鉄心４は、円環状の固定子ヨーク４１と、この固定子ヨーク４１とは分離して構成された複数の突極磁極鉄心４２とから構成される。固定子ヨーク４１は、珪素鋼板などの磁性体の薄板をプレス成形により打ち抜き、それを積層した構成となっている。

本実施例では、突極磁極鉄心４２は、それぞれ独立した１２個の突極磁極鉄心４２から構成されている。それぞれの突極磁極鉄心には、対応する相の電機子巻線５が集中巻で巻回されている。Ｕ相の電機子巻線５はＵ１＋，Ｕ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−である。Ｖ相の電機子巻線５はＶ１＋，Ｖ１−，Ｖ２＋，Ｖ２−である。Ｗ相の電機子巻線５はＷ１＋，
Ｗ１−，Ｗ２＋，Ｗ２−である。尚、添字の１は電機子巻線番号を示す。＋−は電機子巻線の巻線方向を示す。

ここで、電機子巻線５のＵ１＋と、電機子巻線５のＵ１−とは、コイルを流れる電流の向きが逆方向となるように巻回されている。電機子巻線５のＵ２＋と、電機子巻線５の
Ｕ２−とも、コイルを流れる電流の向きが逆方向となるように巻回されている。また、電機子巻線５のＵ１＋と、電機子巻線５のＵ２＋とは、コイルを流れる電流の向きが同一方向となるように巻回されている。電機子巻線５のＵ１−と、電機子巻線５のＵ２−とも、コイルを流れる電流の向きが同一方向となるように巻回されている。他相の電機子巻線５についてもＵ相の場合と同様である。

本実施例の永久磁石回転電機１は１相に電機子巻線５のうち、例えばＵ相にはＵ１＋，Ｕ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−、Ｖ相にはＶ１＋，Ｖ１−，Ｖ２＋，Ｖ２−、Ｗ相にはＷ１＋，Ｗ１−，Ｗ２＋，Ｗ２−で構成される電機子巻線５のうち永久磁石回転子に対する位相が少なくとも一つは異なる配置となる構成である点に特徴がある。図中、Ｕ相においては
Ｕ１＋とＵ１−間では電気角で１８０＋３０、Ｕ１＋とＵ２−の電機子巻線５間では電気角で３０度の位相差を有し、Ｕ１＋とＵ２−の電機子巻線５間では電気角で１８０度の位相差を有するものである。

ちなみに、本構成の実施例永久磁石回転電機では、コギングトルクの１回転あたりの脈動数は６０、巻線係数０.９３３ で、例えば産業界で多く使用されている集中巻固定子で突極磁極数は１２、永久磁石回転子の極数は８の永久磁石回転電機の場合のコギングトルクの１回転あたりの脈動は２４、巻線係数０.８６６ となり、両者を比較すると、本実施例の永久磁石回転子電機ではコギングトルクの１回転あたりの脈動数は高く、巻線係数は高くすることができる。コギングトルクは同一条件では１回転あたりの脈動数に反して小さくなり、またトルクもほぼ巻線係数に応じて大きくなるので低コギングトルク，小型軽量，高効率の永久磁石回転電機である。このような構成により、自動車用のアクチュエータに例えば、電動パワーステアリングに好適な回転電機とすることができるものである。

１２個の突極磁極鉄心４２及び電機子巻線５は、同様に製作されるため、ここでは、突極磁極鉄心４２のＵ１＋及び電機子巻線５のＵ１＋を例にして、その組立工程について説明する。電機子巻線５のＵ１＋は、突極磁極鉄心４２のＵ１＋に巻回した形状となるように、予め成形されている成形コイルである。この成形コイルとなっている電機子巻線５のＵ１＋は、ボビンとともに成形されている。ボビンと成形された電機子巻線５のＵ１＋の一体物を、突極磁極鉄心４２のＵ１＋の後端側からはめ込む。突極磁極鉄心４２のＵ１＋の先端部、すなわち回転子３と面する側は円周方向に拡大しているため、ボビンと電機子巻線５は、この拡大部においてストッパとなり、係止される。突極磁極鉄心４２のＵ１＋の後端側には、固定子ヨーク４１の内周側に形成された凹部とハメアイ形状の凸部が形成されている。成形された電機子巻線５のＵ１＋が巻回された突極磁極鉄心４２のＵ１＋の凸部を、固定子ヨーク４１の凹部に圧入して、突極磁極鉄心４２のＵ１＋が固定子ヨーク４１に固定される。他の突極磁極鉄心４２と電機子巻線５においても同様である。

Ｕ相の電機子巻線５のＵ１＋,Ｕ１−と、Ｕ２＋,Ｕ２−とは、固定子２の中心に対して、対称位置に配置されている。すなわち、電機子巻線５のＵ１＋と電機子巻線５のＵ１−は隣接して配置され、電機子巻線５のＵ２＋と電機子巻線５のＵ２−も隣接して配置されている。さらに、電機子巻線５のＵ１＋，Ｕ１−と、電機子巻線５のＵ２＋，Ｕ２−とは、固定子２の中心に対して、線対称に配置されている。すなわちシャフト８の中心線に対して、電機子巻線５のＵ１＋と電機子巻線５のＵ２−とが線対称に配置され、電機子巻線５のＵ１−と電機子巻線５のＵ２＋とが線対称に配置されている。他相の電機子巻線５についても同様に配置されている。

また、同相の隣接する電機子巻線５は１本の線で連続して巻回されている。すなわち電機子巻線５のＵ１＋と電機子巻線５のＵ１−とは、１本の線を連続して巻回し、２つの巻回コイルを構成し、それぞれ、突極磁極鉄心４２に挿入して、突極磁極鉄心４２に巻回した構成となっている。電機子巻線５のＵ２＋と電機子巻線５のＵ２−も、１本の線で連続して巻回されている。電機子巻線５のＶ１＋と電機子巻線５のＶ１−，電機子巻線５の
Ｖ２＋と電機子巻線５のＶ２−，電機子巻線５のＷ１＋と電機子巻線５のＷ１−，電機子巻線５のＷ２＋と電機子巻線５のＷ２−も、それぞれ、１本の線で連続して巻回されている。

このような線対称配置と、隣接する２つの同相のコイルを１本の線で巻回することにより、各相同士、また異相を結線リング１１で結線する際に、結線リング１１の構成を簡単にすることができる。

回転子３は、磁性体からなる回転子鉄心７と、この回転子鉄心７の表面に接着剤によって固定された１０個の永久磁石片６（Ｎ１〜Ｎ５，Ｓ１〜Ｓ５）を備えている。回転子鉄心７は、シャフト８に固定されている。

永久磁石片６（Ｎ１〜Ｎ５）は、その表面側（ステータの突極磁極鉄心４２と対向する側）をＮ極とすると、その裏面側（回転子鉄心７に接着される側）がＳ極となるように、半径方向に着磁されている。また、永久磁石片６（Ｓ１〜Ｓ５）は、その表面側（ステータの突極磁極鉄心４２と対向する側）をＳ極とすると、その裏面側（回転子鉄心７に接着される側）がＮ極となるように、半径方向に着磁されているものもある。そして、隣接する永久磁石片６は、着磁された極性が周方向に交互になるように着磁されている。例えば、永久磁石片６のＮ１の表面側がＮ極に着磁されているとすると、隣接する永久磁石片６のＳ１，Ｓ５の表面側はＳ極に着磁されている。

以上説明したように、本実施例の回転子３は、１０個の永久磁石片６を備えており、
１０極である。また、前述したように、突極磁極鉄心４２は１２個であり、隣接する突極磁極鉄心４２の間に形成されるスロットの数は、１２個である。すなわち、本実施例の永久磁石回転電機１は、１０極１２スロットの表面磁石型の同期電動機となっている。

隣接する突極磁極鉄心４２において、突極磁極鉄心４２の先端（回転子３と面する側）の拡大部の間隔（例えば、突極磁極鉄心４２のＵ１−と突極磁極鉄心４２のＷ２−の先端の拡大部の間隔（最も周方向に近接する部位の周方向間隔））は１mmとしている。このように、突極磁極鉄心４２の間隔を狭くすることにより、コギングトルクを低減することができる。しかも、モータに振動が加えられたとしても、間隔よりも電機子巻線５の線形が太いため、突極磁極鉄心４２の間から、ロータ側に電機子巻線５が抜け落ちることを防止できる。隣接する突極磁極鉄心４２の間隔は、例えば、電機子巻線５の線径以下の０.５
mm〜１.５mmが好適である。このように、本実施例では、隣接する突極磁極鉄心４２の間隔を電機子巻線５の線径以下としている。

本実施例の電機子巻線５は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を、デルタ（Δ）結線としている。また、各相は、それぞれ並列回路を構成している。すなわち、Ｕ相について見ると、電機子巻線５のＵ１＋とＵ１−の直列回路に対して、電機子巻線５のＵ２＋とＵ２−の直列回路を並列接続している。ここで、電機子巻線５のＵ１＋とＵ１−とは、前述したように、１本の線を連続的に巻回してコイルを構成している。また、Ｖ相，Ｗ相についても、同様である。

結線方法は、スター結線でも可能であるが、デルタ結線とすることにより、スター結線に比べて端子電圧を低くすることができる。例えば、Ｕ相の直並列回路の両端電圧をＥとするとき、端子電圧はＥであるが、スター結線では、√３Ｅとなる。端子電圧を低くできるため、コイルのターン数を大きくでき、線径の細い線を使用できる。また、並列回路とすることにより、４コイルが直列の場合に比べて、各コイルに流す電流を小さくできる点からも、線径の細い線を使用することができるので、占積率を高くすることができ、また、曲げやすく、製作性も良好となる。

電機子巻線５のＵ１−，Ｕ２−，Ｖ１＋，Ｖ２＋は結線リング１１によって電気的に接続されている。電機子巻線５のＶ１−，Ｖ２−，Ｗ１＋，Ｗ２＋も同様に結線リング１１によって電気的に接続されている。電機子巻線５のＵ１＋，Ｕ２＋，Ｗ１−，Ｗ２−も同様に、結線リング１１によって電気的に接続されている。以上のように結線すれば、３相デルタ結線とすることができる。

永久磁石回転電機１は、回転子３の位置を検出するレゾルバＰＳ，エンコーダＥによって検出された回転子位置に応じて、電機子巻線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の永久磁石界磁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。

固定子鉄心４を構成する固定子ヨーク４１と突極磁極鉄心４２とはそれぞれ図示のように個別に分割されている。更に固定子ヨーク４１は必要に応じて周方向に複数に分割する構成でも可能である。このように分割鉄心を使用することによって電機子巻線５を整列に巻回でき、高占積率の巻線とすることで集中巻永久磁石回転電機を小型軽量化することができる。

固定子鉄心４を固定子ヨーク４１と突極磁極鉄心４２とで図示のように分割することによって、固定子巻線の占積率を上げ、小型軽量高効率のモータとすることができる。

しかし、その反面、突極磁極鉄心４２と固定子ヨーク４１間の隙間、あるいは突極磁極の長さの不均一等、製作誤差によって、固定子内径の芯円度は悪くなってコギングトルク，脈動トルクが発生する。このコギングトルク，脈動トルクは一般の脈動トルクと異なり、大きさや位相がモータ毎に異なるために予防が大変難しい。

例えば、図１で示すように、Ｕ１＋の電機子巻線５の巻回している突極磁極鉄心４２の表面が図示のように、他の突極磁極鉄心４２に飛び出すと、回転子３の１回転に永久磁石の極数１０に相当するサイクルのコギングトルクが生じる。これは、前に説明した永久磁石の極数と突極磁極鉄心４２の極数に起因する６０サイクル／回転のコギングトルクに比して遥かに大きな値となる。車載アクチュエータ装置のうち特に電動パワーステアリング装置ではハンドルを介して運転者にその脈動が伝わってしまう。

一方、回転子３はセグメント状の永久磁石片６の１個が例えばＳ３で示すように厚さが厚くなってしまった場合、１回転あたり、突極磁極鉄心４２の数１２に相当するコギングトルクが発生し、この値も６０サイクル／回転のコギングトルクに比して遥かに大きな値となる。

ここで、永久磁石回転電機に生じるコギングトルクについて説明する。図３は、永久磁石回転電機に生じるコギングトルクの波形を示す。（ａ）にコギングトルク波形を、(ｂ)にその周波数分析結果を示す。

永久磁石回転電機１の永久磁石をセグメント構造にして、極毎に個別に張り合わせた場合にはその精度が確保できないことから、１回転あたり固定子突極磁極数１２のサイクルを有するコギングトルクが生じる。一方、図示のように突極磁極鉄心４２を固定子ヨーク４１と別体で作る場合には固定子磁極の内径の芯円度によって永久磁石との間に１回転あたり永久磁石極数１０に相当するサイクルを有するコギングトルクを発生する。

そこで、図１に示すように、例えば図３で示したコギングトルクと逆相のコギングトルクを発生する重みを持った固定子の磁気アンバランスを、例えば突極磁極鉄心４２の
Ｕ２−の表面（回転子３との対向表面）に溝４２ａをコギングトルクの大きさを考慮して設けることにより、製作によって生じてしまうコギングトルクを後処理で補償することが可能である。

同じ原理を利用して永久磁石片６の貼り付けのアンバランスに起因する１回転あたり固定子突極磁極数１２のコギングトルクも、永久磁石片６の磁極表面（固定子２との対向表面）に溝６ａをコギングトルクの大きさを考慮に設けることにより、保証することが可能である。

このことは、回転体におけるバランス取り作業と同じであり、組み立て，加工に伴うアンバランスを部品ベースで徒に精度を上げて対処するのではなく、最終工程で調整させる方法である。

本実施例では上記分割工法によって生じる磁気的アンバランスを、固定子２が組み上がった後に補正することによって、製作時の個別の精度を上げずに十分脈動トルクを小さくでき、それによって、安価な永久磁石回転電機１を提供できる。

この補正は、固定子２を組み上げた後に磁気的なアンバランス量を測定し、それに対応した磁気的な不平衡量を、例えば切削加工によって取り去ることができる。

溝４２ａは、突極磁極鉄心４２を通る磁束を調節するための非磁性部（磁気的空隙）であり、突極磁極鉄心４２の回転子３との対向表面の磁極中心を切削加工によって切り欠いて設けた切欠部である。

以上、固定子２について述べたが、回転子３の場合も同様に適用可能である。

回転子３の極数に応じたセグメント磁石の場合には、各永久磁石片６の張り合わせの位置のバラツキ及び永久磁石片６の厚さのバラツキによって永久磁石片６の磁気アンバランス量が異なってくる。この場合においても、回転子３が組み上がった後に、磁気的なアンバランス量を測定し、永久磁石片６の表面に切削加工を施すことによって、磁気的なアンバランスを補正することができる。

溝６ａは、永久磁石片６の磁束量を調節するための非磁性部（磁気的空隙）であり、永久磁石片６の固定子２との対向表面の磁性中心を切削加工によって切り欠いて設けた切欠部である。また、溝６ａは、永久磁石片６の数よりも小さい数になる。

この場合においては、磁石の接着精度を徒に上げずに製作することができ、安価に脈動トルクの小さい永久磁石回転電機を提供できる。

図３には、本実施例の永久磁石回転電機１の１回転当たり１０サイクル成分，１２サイクル成分を完全に対策したコギングトルク波形を併記した。図３から明らかなように、磁気アンバランスを補正した本実施例の永久磁石回転電機１では、コギングトルクが大幅に低減している。

次に、図４を用いて、本実施例の磁気アンバランス補正について説明する。

図４は、本実施例の磁気アンバランス補正装置を示す。

永久磁石回転電機１は駆動モータ１２によって低速で一定回転で駆動される。１３はトルク検出器であり、コギングトルクの測定値を出力する。更に回転の位置を検出するレゾルバＰＳ，エンコーダＥによりコギングトルクの大きさとともに、位相を出すことができる。１４は磁気アンバランス量計算装置であり、永久磁石回転電機１からのコギングトルクの計測結果に基づいてそれを補正する突極磁性鉄心４２表面の溝４２ａの位相と大きさ、あるいは永久磁石片６の表面の溝６ａの位相と大きさを、固定子，回転子の形状，永久磁石の特性から算出し、磁気アンバランスの補正量を計算する装置である。コギングトルクの大きなモータにおいては、磁気アンバランスに該当する溝部６ａを回転子３に付与することによって、コギングトルクを小さくすることができる。モータの全数を行うことによって、例えば、回転バランスを全数取るのと同じ方式でコギングトルク補正を行ことは可能で、これによって、コギングトルクの小さなモータを提供することができる。また、必要に応じて、コギングトルクの大きなモータのみ補正を行うことも可能である。

以上本実施例では、固定子２と回転子３との間に空隙面に溝を設けて補正する方法を示したが、予め設けた溝などに磁性体を付着させることによっても可能であることはいうまでもない。また、空隙面及びその周囲に磁性体の変形による付加，除去あるいはその他の方法による磁性体の付加，除去によっても補正することが可能である。また、必要に応じては磁界計算を利用して、１３のトルクセンサによって検出できたコギングトルクを０にする固定子磁気補正量，回転子磁気補正量を算出すると一層精度を上げることができる。

尚、本実施例では、集中巻固定子で突極磁極数を１２、回転子３の極数を１０とした例、すなわち突極磁極数Ｍ，回転子の極数Ｐとの比をＭ：Ｐ＝６ｎ：６ｎ±２（ｎは正の整数）とした永久磁石回転電機を用いて説明したが、これに限定されるものでなく、突極磁極数Ｍ，回転子３の極数Ｐとの比をＭ：Ｐ＝３ｎ：３ｎ±１（ｎは正の整数）とした永久磁石回転電機にも適用可能である。例えば永久磁石の極数を８、固定子の突極磁極数を９とすることも可能である。

また、突極磁極数を１２、突極磁極数を８とした、いわゆる３：２の磁極の選択によっても、突極磁極表面の溝の付ける位置によって同様のコギングトルク補正を行うことができる。この場合には突極磁極表面の中心ではなく、コギングトルク低減できる突極磁極の特定の位置に適当の大きさの溝を配置することによってコギングトルク最小化することができる。

また、図１で示したＵ１＋の電機子巻線５の巻かれた突極磁極鉄心４２及び永久磁石片６のＳ３等による他の永久磁石片６及び突極磁極鉄心４２との差異によってコギングトルクのみではなく、誘起電圧にも影響を与え、それぞれ脈動トルクを引き起こす要因ともなる。これに対して、本実施例の永久磁石片６のＮ１上の溝６ａ，突極磁極鉄心４２の溝
４２ａはその脈動トルクを緩和する効果も備えている。

次に、図７を用いて、永久磁石回転電機の他の例について説明する。

図７は、永久磁石の回転電機の他の例の構成を示す。

図１の例ではコギングトルクの補正に新に溝を設けた。これに対して図７の例では、予め、固定子３の突極磁極鉄心４２の表面に溝４２ａを設けた。コギングトルクの大きい永久磁石回転電機においては、図４に示した測定装置によって、コギングトルクの大きさと位相を求め、そのコギングトルクに応じた突極磁極鉄心４２の表面に溝４２ａに、その大きさに応じた補償鉄ピース４２ｂを必要な軸方向長さだけ挿入することによってコギングトルクを最小にすることができる。

回転子３においても同様に、例えば珪素鋼板の中に永久磁石片６を配置する内部鉄心型の回転子３とし、永久磁石片６の外側（固定子側）にある回転子鉄心の固定子との対向表面であって、永久磁石片６の磁極中心と対応する部位に予め溝６ａを設ける。また、図４に示した測定装置によって、求められたコギングトルクの大きさと位相に応じて、回転子鉄心７の表面の溝６ａに補償鉄ピース６ｂを必要な軸方向長さだけ挿入することでコギングトルクを最小にすることができる。補償鉄ピース６ｂは固体で磁性文を含んだ樹脂とによって製作したものでも良い。本例では永久磁石Ｎ２，Ｓ２の表面に設けた例で示した。これによってコギングトルク十分小さくすることができる。

以上、本実施例では、電動パワーステアリング装置に本実施例の集中巻永久磁石回転電機を用いる場合について説明したが、特に自動車に使用される集中巻永久磁石回転電機のうち、特に減速機，集中巻永久磁石回転電機を用いて位置決めしようとする装置、例えば電動スロットル装置，自動変速機装置，電動ブレーキ装置等に本実施例の集中巻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図ることができる。

本発明の実施例である永久磁石回転電機の構成を示す断面図。 本発明の実施例である永久磁石回転電機の構成を示す断面図。 本発明の実施例である永久磁石回転電機の特性を示す特性図であって（ａ）はコギングトルク波形、（ｂ）は（ａ）の周波数分析結果をそれぞれ示す。 本発明の実施例である永久磁石回転電機の磁気アンバランス量補正装置の構成を示す平面図。 図１の永久磁石回転電機の制御回路の構成を示す回路図。 図１の永久磁石回転電機を搭載した電動パワーステアリング装置の構成を示すブロック図。 本発明の他の実施例である永久磁石回転電機の構成を示す断面図。

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…電機子巻線、６…永久磁石片、６ａ，４２ａ…溝、６ｂ，４２ｂ…補償鉄ピース、７…回転子鉄心、
４２…突極磁極鉄心、１００…電動パワーステアリング、１０１…ステアリングホイール、１０２…ステアリングシャフト、１０３…トルクセンサ、１０４…減速機、１０５…制御装置、１０６…バッテリ、１０７…ラックアンドピニオンギヤ、１０８…車輪。

Claims (11)

1. 永久磁石回転電機において、
   固定子と、
   該固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、
   前記固定子は、
   固定子鉄心と、
   該固定子鉄心に組み込まれた固定子巻線とを備えており、
   前記固定子鉄心は、
   分割された複数の鉄心片を結合することにより形成されたものであって、
   前記固定子の複数の突極磁極を形成しかつ前記回転子に対向する複数の磁極鉄心を備えており、
   前記回転子は、永久磁石によって形成された複数の回転磁極を備えており、
   前記固定子には、
   前記突極磁極の数よりも低い次数のものであって、
   前記固定子の磁気的なアンバランスを補正するための補正手段が設けられている
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 永久磁石回転電機において、
   固定子と、
   該固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、
   前記固定子は、
   固定子鉄心と、
   該固定子鉄心に組み込まれた固定子巻線とを備えており、
   前記回転子は、
   回転子鉄心と、
   複数の回転磁極を形成する永久磁石とを備えており、
   前記永久磁石は、
   前記複数の回転磁極を形成する複数の永久磁石片から構成されたものであって、
   前記複数の永久磁石片が、前記回転子鉄心に等間隔に配列されるように、前記回転子鉄心に設けられたものであり、
   前記回転子には、
   前記回転磁極の数よりも低い次数のものであって、
   前記回転子の磁気的なアンバランスを補正するための補正手段が設けられている
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 永久磁石回転電機において、
   固定子と、
   該固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、
   前記固定子は、
   固定子鉄心と、
   該固定子鉄心に組み込まれた固定子巻線とを備えており、
   前記固定子鉄心は、
   分割された複数の鉄心片を結合することにより形成されたものであって、
   前記固定子の複数の突極磁極を形成しかつ前記回転子に対向する複数の磁極鉄心を備えており、
   前記回転子は、
   回転子鉄心と、
   複数の回転磁極を形成する永久磁石とを備えており、
   前記永久磁石は、
   前記複数の回転磁極を形成する複数の永久磁石片から構成されたものであって、
   前記複数の永久磁石片が、前記回転子鉄心に等間隔に配列されるように、前記回転子鉄心に設けられたものであり、
   前記固定子及び前記回転子には、
   前記突極磁極及び前記回転磁極の数よりも低い次数のものであって、
   前記固定子及び前記回転子の磁気的なアンバランスを補正するための補正手段が設けられている
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項１又は３に記載の永久磁石回転電機において、
   前記補正手段は、
   前記磁極鉄心の前記回転子との対向面に設けられたものであって、
   前記磁極鉄心を通る磁束を調節するための非磁性部である
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 請求項２又は３に記載の永久磁石回転電機において、
   前記補正手段は、
   前記永久磁石片の前記固定子との対向面に設けられたものであって、
   前記永久磁石片の磁束を調節するための非磁性部である
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
6. 請求項１又は３に記載の永久磁石回転電機において、
   前記補正手段は、
   前記磁極鉄心の前記回転子との対向面に形成されたものであって、
   前記磁極鉄心の一部分を切り欠いた切欠部である
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
7. 請求項２又は３に記載の永久磁石回転電機において、
   前記補正手段は、
   前記永久磁石片の前記固定子との対向面に形成されたものであって、
   前記永久磁石片の一部分を切り欠いた切欠部である
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
8. 請求項１又は３に記載の永久磁石回転電機において、
   前記補正手段は、
   前記固定子が組み上がった状態で測定されたコギングトルクの結果に基づいて設けられたものであり、
   前記測定されたコギングトルクとは逆相のコギングトルクを発生させるものである
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
9. 請求項２又は３に記載の永久磁石回転電機において、
   前記補正手段は、
   前記回転子が組み上がった状態で測定されたコギングトルクの結果に基づいて設けられたものであり、
   前記測定されたコギングトルクとは逆相のコギングトルクを発生させるものである
   ことを特徴とする永久磁石回転電機。
10. 車両の駆動に必要な車載機構を駆動するための車載電動アクチュエータ装置用電機システムにおいて、
    車載電源を動力源として車載機構を駆動するための駆動力を発生する電動機と、
    該電動機を制御する制御装置とを備え、
    前記電動機は、請求項１乃至９のいずれかに記載の永久磁石回転電機であり、
    前記制御装置は、車載電源から得られた直流電力を交流電力に変換して前記電動機に供給するインバータ装置である
    ことを特徴とする車載電動アクチュエータ装置用電機システム。
11. 車輪のステアリング装置の駆動に必要な補助的な操舵力を供給する電動パワーステアリング装置用電機システムにおいて、
    車載電源を動力源としてステアリング装置に補助的な操舵力を発生する電動機と、
    該電動機を制御する制御装置とを備え、
    前記電動機は、請求項１乃至９のいずれかに記載の永久磁石回転電機であり、
    前記制御装置は、車載電源から得られた直流電力を交流電力に変換して前記電動機に供給するインバータ装置である
    ことを特徴とする電動パワーステアリング装置用電機システム。
    
    

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