JP2006515740A - 電動機のコギングを制御する方法および永久磁石電動機 - Google Patents

Abstract

電動機におけるコギングを制御するために磁極の寸法形状を決定する方法は、少なくとも１つの設計パラメータに関する磁極の寸法形状を画定し、その設計パラメータの関数としてコギングを予測し、その予測されたコギングから、電動機中の所要のコギングの所要のレベルに対応する設計パラメータに対する値を選択すること、を含んでいる。

Description

本発明は、一般的には電動機に関し、特に電動機におけるコギングの制御に関する。

一般に、多くの電磁機器または電磁機械、特に永久磁石電動機（モータ）は、回転子（ロータ）が固定子（ステータ）に対して回転するときにトルクの不規則性（不整、異常）を生じる。そのような不規則性は不均一なトルク出力を生じさせ、従って、回転子の回転が不均一になる。そのようなトルクの不規則性は、所与の機器の物理的構造によって生じる可能性がある。そのようなトルクの不規則性は、例えば、回転子の所与の位置でつっかえる（stick：ひっかかる、止まる）軸受け(ベアリング)によって、またはその機器の電磁特性によって回転子が固定子に対してある角度位置を好む傾向があるという事実によって、生じ得る。永久磁石機器の電磁特性から生じるトルクの不規則性は、一般的にトルクのリプル（ripple）として知られており、固定子の巻線が付勢（energize：電流供給）されていないときでも存在する要素または成分（コンポーネント）は“コギング（cogging：脈動）”として知られている。

コギングは、自動車のパワー・ステアリング（power steering）への適用例を含む或る電動機の適用例（アプリケーション）において一般的には望ましくないので、コギングを低減させるための技術が追求された。例えば、コギングを低減させる磁極（磁石の極）の寸法形状（geometries）を特定または識別するための最適化技術が適用されてきた。しかし、発明者も認識しているように、これら周知の技術は、電動機のコギングを磁極の寸法形状（geometry）の関数として予測するものではなく、従って電動機におけるコギングのレベルを所要のレベルにする設計パラメータ値の選択を容易にすることはない。

発明の概要
この出願の発明者は、電動機におけるコギングを制御するための磁極の寸法形状を決定する方法の設計に成功した。この方法は、少なくとも１つの設計パラメータに関する磁極の寸法形状を画定（define：決定）し、その設計パラメータの関数としてコギングを予測し、予測されたコギングから、電動機中のコギングの所要のレベルに対応する設計パラメータに対する値を選択することを含んでいる。

本発明の主要な特徴および利点の幾つかは上述のとおりであるが、添付の図面を参照し、以下の実施形態に関する詳細な説明を参照することにより本発明をより詳しく、より完全に理解することができよう。

幾つかの図面を通して同じ参照文字および符号は、対応する同じ機能を示している。

図１には、全体が参照番号１００で示された、本発明の典型例の一実施形態による電動機におけるコギングを制御するための磁極（magnet pole）の寸法形状（geometry）を決定する方法が示されている。図１に示されているように、方法１００は少なくとも１つの設計パラメータに関して磁極の寸法形状を画定するステップ１０２を含んでいる。方法１００は、さらに、設計パラメータの関数としてコギングを予測するステップ１０４を含んでいる。ステップ１０６において、予測されたコギングを用いて、電動機におけるコギングの所要のレベルに対応する設計パラメータに対する値が選択される。例えば、一般にコギングが望ましくない電動機の適用例（アプリケーション）の場合は、予測されたコギングを用いて、電動機に対する最小コギング値または０（ゼロ）コギング値に対応する設計パラメータに対する値（設計パラメータの値）を選択することができる。代替構成として、必要に応じて、予測されたコギングを用いて、電動機のより高いコギング値を生じる設計パラメータ値を選択することができる。

図１のステップ１０２で参照する設計パラメータは、磁極（magnet pole）の寸法形状（geometry）（即ち、磁極の寸法および／または形状）を画定する任意のパラメータでよく、その値は要求に応じて選択または最適化できる。さらに、磁極の寸法形状を、単一の設計パラメータの代わりに複数の設計パラメータに関して画定することができる。そのような場合、コギングは好ましくは複数の設計パラメータの関数として予測され、次いでこの予測されたコギングを用いて、電動機における所要のレベルのコギングに対応する設計パラメータに対する値が選択される。

さらに、図１のステップ１０４を参照すると、本発明の一実施形態において、コギングは、電動機の有限要素解析（ＦＥＡ）モデルを使用して予測される。但し、コギングを予測するための他の手段を採用してもよい。さらに、一実施形態において予測されるコギングはピーク−ピーク・コギング（ピークツーピーク・コギング）（コギングの大きさとも称される）であるが、これは必ずしも必要ではない。

次に、図１に示された方法１００の典型例の一実施形態を図２〜８を参照して説明する。この特定の実施形態は１０極／１２スロット（10 pole／12 slot）のブラシレス（ブラシのない）永久磁石（ＢＰＭ）電動機２００で、これは図２Ａに概略的に示されている。しかし、方法１００は他の極／スロットの組合せ、さらに他のタイプの電動機にも適用できることを理解すべきである。

図２Ａに示されているように、電動機２００は、固定子２０２と、該固定子２０２内に配置された回転子２０４とを含んでいる。回転子２０４は幾つかの磁極２０６〜２２４を含み、各機極は同じ寸法形状（geometry）を有する。代替構成として、磁極のうちの２つ以上の磁極が様々な異なる寸法形状を有するように回転子２０４を設計することもできるが、この場合は設計の複雑さが増大する。図２Ｂに最も良く示されているように、この特定の実施形態における各磁極２０６〜２２４の寸法形状は、２つの設計パラメータ、即ち各磁極の角度幅を画定する磁極のスパン（間隔）ＢｅｔａＭと、各磁極の曲率の程度を画定する磁石の偏心（decenter）半径Ｒｍｏとによって画定される。代替構成として（または追加構成として）、磁極の寸法形状を、例えば多項式関数によって画定することもできる。図２Ｂには、また、回転子２０４の外径（outside diameter）を表すパラメータＲａｄ１が示されている。

この特定の実施形態では、図２に示された電動機２００のコギングは、該電動機２００のパラメトリック（parametric）ＦＥＡモデル、および設計パラメータＢｅｔａＭとＲｍｏの予め定められたポテンシャル値（potential values）を使用して、予測される。これらのポテンシャル値は、離散値として、またはより好ましくは所与の電動機の構成（形態）におけるＢｅｔａＭおよびＲｍｏ用として現実に使用することができる値の範囲として、規定することができる。この例として、ＢｅｔａＭの値が２６乃至３２機械的角度（mechanical degree）の範囲をとることができ、Ｒｍｏの値が８．２２５乃至２０．２２５ミリメートルの範囲をとることができると仮定する。この技術分野の当業者には理解できるように、電動機のパラメトリックＦＥＡモデルは、任意の適当なＦＥＡソフトウェアを用いて生成することができる。

ＦＥＡモデルと、設計パラメータＢｅｔａＭおよびＲｍｏ用の画定された値の範囲とを用いて、電動機中のコギングを設計パラメータの関数として予測することができる。一つの好ましい実施形態では、ピーク−ピーク・コギング（即ち、角位置の関数としてのトルク）が最初に予測され、プロットされる。これが、ＢｅｔａＭおよびＲｍｏの種々の値に対する電動機の予測されたコギングのプロットである図３〜７に概略的に示されている。特に、図３は、ＢｅｔａＭに対する２６機械的角度（mechanical degree：度、°）の値と、８．２２５、１２．２２５、１６．２２５、および２０．２２５ミリメートルのＲｍｏ値とを用いたコギングのプロットを示している。図４〜７は、Ｒｍｏについては同じ値を使用し、ＢｅｔａＭについては、それぞれ２７．５、２９、３０．５、および３２機械的角度（mechanical degree）を使用した同様なプロットを示している。

図３〜７の予測されたコギングのプロットからのデータ点を用いて、図８に示されているように設計パラメータの関数として電動機のコギングを予測し、プロットすることができる。より具体的には、図８において、ピーク−ピーク・コギングは、図３〜７で用いられるＲｍｏの４個の各値に対するＢｅｔａＭの値の関数としてプロットされている。

設計パラメータＢｅｔａＭおよびＲｍｏの関数としてピーク−ピーク・コギングを予測して、電動機における所要のレベルのコギングに対応するこれらの設計パラメータに対する値を選定することができる。例えば、図８から、２７機械的角度（mechanical degree）ＢｅｔａＭ値と８．２２５ｍｍ(ミリメートル)のＲｍｏ値とを使用することにより、０(ゼロ)の予測コギング値が得られることが分かる。代替構成として、必要な場合には、より高いレベルの予測コギングに対応する設計パラメータＢｅｔａＭおよびＲｏｍに対する値を選択することができる。

図７を参照すると、予測されたコギング値のプロットは概して正弦波状になることに留意すべきである。従って、電動機における所要のレベルのコギングを生じさせる設計パラメータ相互間の関係を定義する式を次のように導き出すことができる。
コギング＝ｆ（パラメータ１、パラメータ２、・・・）
＝ｆ１（パラメータ１、パラメータ２、・・・）＊ｓｉｎ（ｆ２（パラメータ、 パラメータ２、・・・）
ゼロ・コギングが必要な場合は、関係は次のように縮小できる。
０＝ｓｉｎ（ｆ２（パラメータ１、パラメータ２、・・・）または
１８０ｎ＝（ｆ２（パラメータ１、パラメータ２、・・・）
ここで、ｎは正弦波状コギング波形の特定の０（ゼロ）交差を表す整数である。
電動機２００のゼロ・コギングに対応する図８からのＢｅｔａＭおよびＲｏｍの値を用いて、次の式が得られる。
Ｂ_m＝６ｎ＋π（Ｒｍｏ／Ｒａｄ１）²−(７π／３)＊（Ｒｍｏ／Ｒａｄ１）+（５π／３）±１機械的角度

従って、上記の式を用いてＢｅｔａＭおよびＲｍｏの値を選択すると、その結果として、図２に示された回転子２０４用の磁極の寸法形状が得られ、この回転子２０４が図２の電動機に組み込まれたときに最小またはゼロのピーク−ピーク・コギングを実現することができる。当業者には明らかなように、ｎのより大きな値は、幅のより広い磁石に対応し、従って電動機２００のより大きい出力トルクに対応する。従って、より大きいトルクを必要とする場合は、４≦ｎ≦６であり、（ここで説明している１０極／１２スロット用には）ｎの最大の可能な値は６である。

本発明の好ましい一適用例では、図２の電動機２００は図９に概略的に示されているようにパワー・ステアリング装置８００に組み込まれる。前述の式を用いてＢｅｔａＭおよびＲｍｏの値を選定することによって、電動機２００におけるコギングは最小化され、コギングを特にパワー・ステアリング装置８００で使用するのに好ましいものにすることができる。

本発明の要素またはその好ましい実施形態を説明するに当たって、英文明細書における冠詞“a”、“an”、“the”、さらに“said”の用語は、上記のような要素が単数の場合もあれば、複数の場合もあり得ることを意図している。また、 “・・・からなる（comprising）”、“・・・を含む（including）”、“・・・を有する（having）”等の用語は、そこに列挙された要素以外の他の要素含み得ること、またはそこの列挙された要素以外の他の要素が存在し得ることを意図している。

本発明の範囲から逸脱しない範囲で上記の構成に対する各種の変更は可能であり、上記の説明中に含まれる事項、または添付の図面に示されたすべての事項は単なる一例として解釈されるべきであり、本発明の構成はそれらの事項に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態による電動機におけるコギングを制御するための磁極の寸法形状を決定する方法のフロー図である。 図２Ａは、図1の方法を使用して決定された磁極の寸法形状を有する回転子を有する電動機を示している。 図２Ｂは、さらに図２Ａに示された回転子の磁極の寸法形状を示している。 図３は、ＦＥＡモデルを使用した図２の電動機用に生成された予測コギングのプロットである。 図４は、ＦＥＡモデルを使用した図２の電動機用に生成された予測コギングのプロットである。 図５は、ＦＥＡモデルを使用した図２の電動機用に生成された予測コギングのプロットである。 図６は、ＦＥＡモデルを使用した図２の電動機用に生成された予測コギングのプロットである。 図７は、ＦＥＡモデルを使用した図２の電動機用に生成された予測コギングのプロットである。 図８は、図３〜７のデータから生成された予測ピーク−ピーク・コギングのプロットである。 図９は、図２の電動機を組み込んだパワー・ステアリング装置のブロック図である。

Claims (22)

1. 電動機におけるコギングを制御するために磁極の寸法形状を決定する方法であって、
   少なくとも１つの設計パラメータに関する磁極の寸法形状を画定し、
   前記設計パラメータの関数としてコギングを予測し、
   前記予測されたコギングから、前記電動機における所要のコギングの所要のレベルに対応する設計パラメータに対する値を選択すること、
   を含む、方法。
2. 前記コギングを予測することは、ピーク−ピーク・コギングを予測することを含むものである、請求項１に記載の方法。
3. 前記選択することは、ゼロ（０）ピーク−ピーク・コギングに対応する前記設計パラメータに対する値を選択することを含むものである、請求項２に記載の方法。
4. 前記予測することは、前記電動機のＦＥＡモデルを用いて前記設計パラメータの関数としてコギングを予測することを含むものである、請求項１に記載の方法。
5. 前記画定することは、複数の設計パラメータに関する磁極の寸法形状を画定することを含み、
   前記予測することは、ＦＥＡモデルを用いて設計パラメータの関数としてピーク−ピーク・コギングを予測することを含み、
   前記選択することは、前記電動機用の最小ピーク−ピーク・コギング値に対応する前記設計パラメータに対する値を選択することを含むものである、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記電動機は複数の磁極を含み、
   前記画定することは、前記複数の磁極の各々について同じ磁極の寸法形状を画定することを含むものである、
   請求項１に記載の方法。
7. 前記設計パラメータは、磁極のスパンと磁石の偏心半径とからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
8. 電動機用の磁極の寸法形状を決定する方法であって、
   複数の設計パラメータに関する磁極の寸法形状を画定し、
   前記電動機のパラメトリックＦＥＡモデルを生成し、
   前記ＦＥＡモデルを用いて前記設計パラメータの関数としてピーク−ピーク・コギングを予測し、
   前記予測されたピーク−ピーク・コギングから、前記電動機におけるピーク−ピーク・コギングの所要のレベルに対応する前記設計パラメータに対する値を選択すること、
   を含む、方法。
9. さらに、前記設計パラメータの各々に対するポテンシャル値を画定することを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記画定することは、前記設計パラメータの各々に対するポテンシャル値の範囲を画定することを含むものである、請求項９に記載の方法。
11. 前記予測することは、前記ＦＥＡモデルを用いた前記設計パラメータおよび前記画定されたポテンシャル値の関数としてピーク−ピーク・コギングを予測することを含むものである、請求項９に記載の方法。
12. 前記選択することは、最小ピーク−ピーク・コギング値に対応する前記設計パラメータに対する値を選択することを含むものである、請求項８に記載の方法。
13. 前記選択することは、ゼロ（０）ピーク−ピーク・コギング値に対応する前記設計パラメータに対する値を選択することを含むものである、請求項１２に記載の方法。
14. さらに、前記電動機用の極／スロット組合せを画定することを含む、請求項８に記載の方法。
15. 前記選択することは、最小ピーク−ピーク・コギング値を生成する前記設計パラメータ相互間の関係を画定するために前記予測された最小ピーク−ピーク・コギング値を使用すること、および前記画定された関係を用いて前記設計パラメータに対する値を決定することを含むものである、請求項８に記載の方法。
16. 前記画定された関係は周期関数である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記画定された関係は正弦関数である、請求項１６に記載の方法。
18. 或る大きさの直径を有し、複数の永久磁石を具える電動機用回転子であって、
    前記複数の永久磁石の各々は、磁石の偏心半径値Ｒｍｏと、磁極のスパン値Ｂ_mとを有し、
    ここで、
    Ｂ_m＝６ｎ＋π（Ｒｍｏ／Ｒａｄ１）²−（７π／３）＊（Ｒｍｏ／Ｒａｄ１）＋（５π ／３）±１機械的角度
    Ｒａｄ１は前記回転子の直径であり、ｎは１より大きい整数である、
    電動機用回転子。
19. 前記回転子は１０極／１２スロットのＢＰＭ電動機用に構成されており、請求項１８に記載の電動機用回転子。
20. ４≦ｎ≦６である、請求項１８に記載の電動機用回転子。
21. 請求項１８に記載の回転子を具える電動機。
22. 請求項２１に記載の電動機を備えるパワー・ステアリング装置。
    
    

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