JP2014068497A

JP2014068497A - 回転電機およびそれを用いた電動パワーステアリング装置

Info

Publication number: JP2014068497A
Application number: JP2012213393A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Iwasaki; 則久岩崎; Masashi Kitamura; 正司北村; Hiroshi Kanazawa; 宏至金澤; Shozo Kawasaki; 省三川崎
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-17
Also published as: CN103701289A; DE102013215641A1; US20140084728A1

Abstract

【課題】
本発明は、永久磁石式回転電機に関わり、低電圧、大トルク用のモータにおいて、占積率の向上と設計の自由度向上を目的とする。
【解決手段】
極数とスロット数の組み合わせが１０：１２もしくは１４：１２の集中巻モータにおいて、隣り合う同相コイルの巻き数を異ならせることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機およびそれを用いた電動パワーステアリング装置に関する。

電動化による油圧代替やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）の市場投入を受けて、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）の装着率が急激に高まってきている。電動パワーステアリング用モータに代表される車載用の補機は車載用のバッテリー（例えば１２Ｖ）がエネルギーの供給源となっており、低電圧条件下での駆動となる。ところが、ＥＰＳ用のモータは高い回転数−トルク特性（Ｎ−Ｔ特性）が要求されるため、コイルの巻数を少なくしなければ高速回転領域まで対応できない。さらに、高トルクの要求も強く、大電流での駆動が必要となることから、コイルの線径を太くする必要がある。しかし、線径の太いコイルはマグネットワイヤーの剛性が高く、モータの固定子スロット内の占積率を向上させることが難しい。そこで、分割コアを用いた高精度な整列集中巻が採用されている。占積率を向上させる技術として、例えば、特開２００１−１９７６９６号公報（特許文献１）に記載のように、スロット内でコイルを２段構成とし、細線で並列接続することによって等価的に線径を大きくする手法や、特開２０１１−４４５６号公報（特許文献２）に記載のように、ステータコアの形状工夫と分布巻を採用することによって占積率を向上させる方法などが挙げられている。

特開２００１−１９７６９６号公報特開２０１１−４４５６号公報

ＥＰＳ用のモータは手とタイヤの間にあるモータのトルク脈動・摩擦をステアリングホイール（ｓｔｅｅｒｉｎｇｗｈｅｅｌ）を介して直接人間の手に伝える。そのため、ＥＰＳ用モータに対するコギングトルクやトルク脈動の要求は非常に厳しい。モータのコギングトルクやトルク脈動を低減するためには、極数とスロット数の組み合わせが非常に重要である。例えば、１２スロットの集中巻モータを考えた場合、取り得る極数として、８極，１０極，１４極などがある。ここで、１０極乃至１４極を選択することにより、コギングトルクやトルク脈動に関して優れた特性を得ることができる。しかし、１０極乃至１４極は固定子側の最大並列回路数が２である。これに対し、８極を選択した場合、取り得る最大並列回路数は４とできる。従って、１０極乃至１４極を選択すると、コギングトルクやトルク脈動に優れているものの、最大並列回路数が８極に比べると小さいため、コイルの線径をより太くする必要があり、占積率が低下する原因となり得る。

本発明の目的は、コギングトルク・トルク脈動を低減しつつ高占積率・高トルクな回転電機を提供することにある。

本発明は、トルク脈動の低減と高トルク化の両方に優れた回転電機を提供するため、極数とスロット数の関係が１０：１２の整数倍、若しくは１４：１２の整数倍の関係を有し、固定子の隣り合う同相のコイル巻数が異なるようにする。

本発明によれば、コギングトルク・トルク脈動を低減しつつ高占積率・高トルクな設計を実現できる。そして、本発明によれば、電動パワーステアリング用に好適な回転電機を提供することができる。

本発明の一実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング装置を示す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータと制御装置を表す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの構成を表す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの回転子の構成を表す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの固定子分割コアとボビンの組み立て方を表す図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの固定子を表す図であり、（ａ）は固定子の巻線配置を表す図であり、（ｂ）は固定コアの組立体を表す図であり、（ｃ）は固定子ボビンに固定子コイルが巻かれた詳細図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの固定子を表す図であり、（ａ）は固定コアの組立体を表す図であり、（ｂ）は固定子ボビンに固定子コイルが巻かれた詳細図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの固定子を表す図であり、（ａ）は固定コアの組立体を表す図であり、（ｂ）は固定子ボビンに固定子コイルが巻かれた詳細図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの固定子を表す図であり、（ａ）は固定コアの組立体を表す図であり、（ｂ）は固定子ボビンに固定子コイルが巻かれた詳細図である。本発明の効果を表す特性図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの固定子コアの詳細図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの回転子コアと回転子磁石の詳細図である。本発明の一実施例による電動パワーステアリング用モータの回転子コアと回転子磁石の詳細図である。

以下、本発明による回転電機について図面を用いて説明する。尚、本実施例では電動パワーステアリング用のモータとして記述するが、同様にブラシレスモータで構成される車載補機全般に適用可能である。

本発明における第１の実施例について説明する。まず、図１〜３を用いて本実施例の電動パワーステアリングに関する動作原理を説明する。本実施例の電動パワーステアリングシステムは、車載電源と、この車載電源からワイヤーハーネスを介して供給された直流電力を多相の交流電力に変換するとともに、ステアリングに加えられたトルクに応じて、その出力を制御する制御装置と、この制御装置から供給される交流電力によって駆動され、操舵用のアシストトルクを出力する電動パワーステアリング用モータとを有する電動パワーステアリングシステムであって、前記電動パワーステアリング用モータは、フレームと、このフレームに固定された固定子と、この固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、固定子は固定子コアと、この固定子コアに組み込まれた多相の固定子コイルを備えており、固定子コアは環状のバックコア部と、このバックコア部から径方向に突出する複数のティースコア部とから構成されており、固定子コアの隣接するティースコア部間にはスロット部が形成されており、固定子コイルはスロット部に収納されており、回転子は回転子コアと、この回転子コアの外周表面に固定された、もしくは回転子コアに埋め込まれた複数のマグネットを備えている。

図１は、本実施例の電動パワーステアリング用モータを用いた電動パワーステアリングシステムの構成図である。本システムはステアリングホイールＳＴと、ステアリングホイールＳＴの回転駆動力を検出するトルクセンサＴＳと、トルクセンサＴＳの出力に基づいて、アシストトルクを制御する制御装置ＥＣＵと、アシストルクを制御する制御装置ＥＣＵの信号に基づいて、アシストルクを出力するモータ１０００と、制御装置ＥＣＵおよびモータ１０００のエネルギー供給源となる車載用バッテリーＢＡと、モータ１０００の回転駆動力を歯車によって減速し、所望のトルクを出力するためのギヤ機構ＧＥと、ギヤ機構ＧＥで発生したトルクを伝達するためのピニオンギヤＰＮと、ピニオンギヤＰＮとギヤ機構ＧＥをつなぐための一つまたは複数のロッドＲＯと、一つまたは複数のジョイントＪＴと、ピニオンギヤＰＮに発生する回転駆動力を水平方向の力に変化するラックギヤＲＣＧと、ラックギヤＲＣＧを覆うラックケースＲＣと、ラックケースＲＣ内に塵などが入らないようにするためにラックケースＲＣの両端部に設けられる第1のダストブーツＤＢ１及び第2のダストブーツＤＢ２と、実際に舵取りが行われる第１のタイヤＷＨ１と、第２のタイヤＷＨ２と、ラック軸に発生する水平方向の力を第１のタイヤＷＨ１に伝えるための第１のタイロッドＴＲ１と、同じくラック軸に発生する水平方向の力を第２のタイヤＷＨ２に伝えるための第２のタイロッドＴＲ２とを備えている。

図１はステアリングコラム付近にアシストトルクを発生させるためのモータ１０００を備えているコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置である。図１はステアリングホイールＳＴを回転させると、その回転駆動力をトルクセンサＴＳが検出する。トルクセンサＴＳの検出信号に基づいて、制御装置ＥＣＵが所望のアシストトルクを発生させるための通電パターンを演算し、モータ１０００に指令を出す。モータ１０００は制御装置ＥＣＵの指令に基づいて通電を行い、アシストトルクを発生させる。そして、モータ１０００に接続されたギヤ機構ＧＥにより減速され、ロッドＲＯとジョイントＪＴを介して、ピニオンギヤＰＮに回転駆動力が伝達される。ピニオンギヤＰＮはラックギヤＲＣＧと噛合っており，それによってピニオンギヤＰＮの回転駆動力は車の進行方向に対して直角方向の推力に変換される。こうして発生した水平方向の推力はタイロッドＴＲ１およびＴＲ２を介して、タイヤＷＨ１およびＷＨ２の舵取りを行う。本システムは車室内にモータが配置されるため、エンジンルームから遠く、環境温度が比較的低い条件で使用できる。そのため、高温で減磁が考えられるネオジム焼結磁石を用いた永久磁石式モータの場合、減磁耐力に関して比較的緩い条件で設計が可能である。ただし、運転者に近いことから、モータの振動・騒音に関しては厳しい条件での設計が必要となる。図１では、制御装置ＥＣＵとモータ１０００は別々に描いているが、モータ１０００の出力軸と反対側に制御装置ＥＣＵが接続された機電一体型としても適用できる。

図２はピニオンギヤＰＮの近傍にアシストトルクを発生させるためのモータ１０００を備えているピニオンアシスト式の電動パワーステアリング装置である。図２−ａはピニオンギヤＰＮの軸にアシストトルクを発生させるためのモータ１０００が備えられており、基本的な動作原理は図１のコラムアシスト式電動パワーステアリング装置と変わらない。また、図２−ｂはロッドＲＯを介してステアリングホイールＳＴに接続されている第１のピニオンギヤＰＮ１とは別にラック軸の中心に対して反対方向に第２のピニオンギヤＰＮ２が設けられ、アシストルクを発生させるためのモータ１０００は第２のピニオンギヤＰＮ２に備えられている。ピニオンギヤが二つ存在することからデュアルピニオンアシスト式電動パワーステアリングまたはダブルピニオンアシスト式電動パワーステアリングと呼ばれる。これは人間がステアリングを切る力とアシストトルクの両方がラックギヤRCGに加わることや、ピニオンギヤを別に設けることで、モータ１０００を配置するためのスペースを確保できることから、モータ体格を大きくでき、高出力化が可能となる。また、本システムはモータ１０００と運転者との距離が長いことから、振動・音に関して比較的緩い条件で設計が可能となる。一方で、エンジンルーム内に配置されるため、環境温度が比較的高く、高温で減磁が考えられるネオジム焼結磁石を用いた永久磁石式モータの場合、減磁耐力について比較的厳しい条件での設計が必要となる。

図３はラックギヤＲＣＧに対して同軸にアシストトルクを発生させるためのモータ１０００が備えられているラックアシスト式電動パワーステアリング装置である。図３−ａはラックケースＲＣ内にアシストトルクを発生させるためのモータ１０００が内蔵されている。このモータ１０００は中空シャフト構造になっており、中にネジを切ったボールスクリューＢＳが配置されている。このボールスクリューＢＳとラックギヤＲＣＧが噛み合うことで、モータ１０００の回転駆動力をラックギヤＲＣＧの水平方向の推力に変換する仕組みである。また、図３−ｂでは、アシストトルクを発生させるためのモータ１０００がラックギヤＲＣＧと平行に備えられている。この場合、モータ１０００の回転子シャフトとラックギヤＲＣＧとがベルトＢＴでつながれており、スクリュー状の溝を切ったベルトＢＴとラックギヤＲＣＧが噛み合うことでモータ１０００の回転駆動力をラックギヤＲＣＧの水平方向推力に変換する仕組みである。本システムは図２で説明したピニオンアシスト式の電動パワーステアリングと同様にモータ１０００と運転者との距離が長いことから、振動・音に関して比較的緩い条件で設計が可能となる。一方で、エンジンルーム内に配置されることから、環境温度が比較的高く、高温で減磁が考えられるネオジム磁石焼結を用いた永久磁石式モータの場合、減磁耐力について比較的厳しい条件での設計が必要となる。さらに、スぺースを合理的に有効活用できる構成であるため、モータ体格の増大など、さらなる高出力化に有利な構成である。

次に、モータ１０００、制御装置ＥＣＵ、バッテリーＢＡのエネルギー収支について説明する。モータ１０００の動力源であるバッテリーＢＡとして、例えば１２Ｖ，１００Ａのものを用いる場合、その出力は約１２００Ｗとなる。バッテリーＢＡと制御装置ＥＣＵとはワイヤーハーネスで接続されており、太いワイヤーハーネスを用いることで低抵抗化しても(引きまわしの容易性を考慮すると、導体断面積８ｍｍ²程度のワイヤーハーネスが限界)、上述のように大電流が流れる場合、ワイヤーハーネスの消費電力は、２００Ｗ程度となる。また、制御装置ＥＣＵ自体の内部抵抗値を小さくしたとしても、その消費電力は、約２００〜３００Ｗとなる。したがって、バッテリーＢＡの出力可能な電力（約１２００Ｗ）の内、約半分がワイヤーハーネスや制御装置ＥＣＵで消費され、モータ１０００で消費可能な電力は半減する。モータ１０００の逆起電力は回転速度とコイル巻数に比例するため、高い回転速度領域ではモータで発生する逆起電力が入力電圧に対して大きくなってしまう。そうなると、システムとして成立しなくなるため、コイルの巻数を少なくすることで、高速領域まで対応できるように設計する必要がある。

ＥＰＳ用のモータは、小排気量（小車両総重量）の車両に用いられており、大排気量（大車両総重量）の車両では、現状では油圧式のパワーステアリング装置が実用化されている。このような大排気量(大車両総重量)の車両（例えば、排気量１．８Ｌ以上、車両総重量１．５ｔ以上）に，永久磁石式ブラシレスモータを用いることは実用上不可能であった。その理由は，大排気量（大車両総重量）の車両においては、据え切り状態では車両重量が大きすぎるため、タイヤと地面の間の摩擦が大き過ぎ、据え切りが不可能になるからである。永久磁石式集中巻のブラシレスモータにおいて、低速時のトルクを大きくできない理由は、モータの銅損が大きく、前述のエネルギー収支の関係から、十分なモータ電流が流れ込まないことにある。そこで、第1に、本実施例では、銅損の小さなＥＰＳモータとする必要がある。さらに、モータとＥＣＵが一体で設計される機電一体型のモータにおいてはＥＣＵ側にモータの熱が伝わらないように銅損を十分に低減することはメリットがある。

ＥＰＳモータは、図１〜３に示すようにステアリング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、車載スペースが限られていることに変わりはなく、何れも小型化が要求される。また、小型化された構造でステータ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。さらにＥＰＳモータはコギングトルクなどのトルク変動をたいへん小さく押えることが望ましく，据え切りに必要なアシスト力を補うため，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）が早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固定子コイルに供給される。この電流は条件により異なるが５０アンペア以上であり，７０アンペアあるいは１５０アンペアの場合も考えられる。自動車に搭載されるＥＰＳは色々な振動が加わる。また、車輪からの衝撃も加わる。また、気温変化の大きい状態で利用される。摂氏マイナス４０度の状態も考えられ、また、モータや周辺機器の発熱による温度上昇により１００度以上になる場合も考えられる。さらに、モータ内に水が入らないようにしなければならない。このような条件で固定子がハウジングケース１００に固定されるためには、ハウジングケース１００に固定子コア２００を圧入することが望ましい。また、圧入後さらにフレームの外周から螺子止めしてもよい。圧入に加え回止を施すことが望ましい。

ＥＰＳ用のモータは車両に搭載された電源により駆動される。上記電源は出力電圧が低い場合が多い。電源端子間にインバータを構成するスイッチング素子や上記モータ、その他電流供給回路の接続手段が等価的に直列回路を構成し、上記回路においてそれぞれの回路構成素子の端子電圧の合計が上記電源の端子間電圧になるので、モータに電流を供給するためのモータの端子電圧は低くなる。このような状況でモータに流れ込む電流を確保するにはモータの銅損を低く押えることが極めて重要である。車両に搭載される電源は５０ボルト以下の低電圧系が多く、この点から、固定子コイル４００を集中巻とすることが望ましい。特に１２ボルト系電源を使用する場合は極めて重要である。

上述の通り、１２ボルト系の電源を使用する場合、モータの極数が多いと回転速度の高い領域では、モータ性能が十分に得られないことが多い。そのため、モータの極数は６〜１４極程度が望ましい。ここでは、６〜１４極の範囲において、同じスロット数で極数の選択肢が多い１２スロットの集中巻モータを例に挙げる。例えば８極１２スロットのモータを考えた場合、固定子コイルの最大並列回路数は４並列である。しかし、８極１２スロットモータはコギングトルクやトルク脈動が大きく、ＥＰＳモータとしての性能を満足するためには、回転子磁石にスキューを施すなどの工夫が必要となる。それに対して、１０極１２スロットモータとすることで、他の極数とスロット数との組合せのモータに比べて、コギングトルクやトルク脈動を小さくすることができる。しかし、１０極１２スロットモータは固定子コイルの最大並列回路数が２並列となる。ＥＰＳ用のモータは低電圧駆動であり、大トルクが必要なため、巻数が少なく、大電流を流すことから、固定子コイルの線径を太くする必要がある。したがって、８極１２スロットでは４並列が適用できるのに対し、１０極１２スロットでは２並列となるため、１０極１２スロットモータでは固定子コイルの線径を太くする必要がある。線径を太くした場合、固定子コイルの剛性が高いため、モータスロット内の占積率を上げるのが困難となる。ＥＰＳ用のモータのように固定子コイルの巻数が少ないモータにおいて、１ターンでも多く、または線径の太いコイルを用いて、占積率を向上させることはモータ性能上、非常に重要である。

以下、本発明の第1の実施形態に関するモータの詳細構成について図４、５を用いて説明する。ＥＰＳモータ１０００の具体的構成について説明する。本実施例におけるＥＰＳ用モータはステアリングホイールを介して、人がタイヤの舵取りを行う際に、アシストルクを制御する制御装置ＥＣＵの信号に基づいて、通電を行い、アシストトルクを出力する。ここで、制御装置ＥＣＵとモータ１０００の配置関係について述べる。制御装置ＥＣＵは、図１〜３に示すようにモータ１０００と別の位置に配置され、ワイヤーハーネス等を介してモータに接続される場合と、ワイヤーハーネスでの電圧降下をなくすために、モータ１０００の反出力側に制御装置ＥＣＵを直結した機電一体式が考えられる。例えば機電一体式の場合、図４に示すように、制御装置ＥＣＵはモータ１０００の反出力軸側に直結される構成となる。モータ１０００に巻かれた巻線の引き出し線がバスバー６００の金属部分に接触・固定され、バスバー６００を介してＹ結線やΔ結線などの方式による結線がなされるように構成している。バスバーを介してまとめられた結線は制御装置ＥＣＵ側に突出した入力線８０２によって制御装置ＥＣＵに接続される。

次に、モータ１０００の全体構造に関して、図５−ａを用いて説明する。モータ１０００は鉄製またはアルミ製のハウジングケース１００に固定された磁性体からなる固定子コア２００と、固定子コア２００に巻回された導電性の固定子コイル４００と、固定子コア２００と固定コイル４００を絶縁するための非導電性部材からなるボビン３００と、固定子２００の内径側に回転可能に支持された回転子５００と、固定子コイル４００の引き出し線をまとめて、モータの入力線やＹ結線の場合は中性点などをつくるためのバスバー６００と、モータ１０００の入力側に設けられたブラケット７００と、入力線８０２やリレースイッチ８０１などをまとめた基盤８００によって構成されている。

上記の構成を組み立てる構成は次の通りである。固定子コア２００に固定子コイルを組み込む第１の工程と、この後、固定子コイル４００が組み込まれた固定子コア２００の周方向の複数箇所をハウジングケース１００に圧入し、固定子コイル４００を組み込んだ固定子コア２００がハウジングケース１００に固定された構造体を得る第２の工程と、この後、固定子コア２００と、固定子コア２００の軸方向端部から軸方向に突出する固定子コイル４００のコイルエンド部をブラケット７００または治具とハウジングケース１００によって囲むように、ブラケット７００または治具を構造体に対して取り付ける第３の工程を経て製造される。または、第３の工程後に、ブラケット７００または治具とハウジングケース１００によって囲まれている中に流体状のモールド材を注入し、コイルエンド部、固定子コア２００の隙間、固定子コイル４００の隙間、固定子コア２００と固定子コイル４００との間の隙間及び固定子コア２００とハウジングケース１００との間の隙間にモールド材を充填する第４の工程と、この後、モールド材を固化させる第５の工程と、この後、治具を取り外す第６の工程とを経て、モールド材によってモールド成形された構造体を得る製造方法としても良い。

次に、図５−ｂを用いて、回転子５００の構成について述べる。回転子５００は、永久磁石を固定するための回転子コア５０２と、回転子コア５０２の外周面に周方向に少なくとも二つ以上配置された永久磁石５０１と、永久磁石５０１が回転の遠心力に耐えられるように設けられたカバー５０３と、回転子コア５０２の内径側中心部に固定されたシャフト５０４とシャフト５０４を回転させるためのベアリング機構５０５および５０６と、モータ出力側にあるギヤや負荷などと連結するための構造材５０７とによって構成されている。尚、本実施例は、１０極１２スロットであり、永久磁石５０１は１０個設けられている。

次に、図５−ｃを用いて固定子コア２００とボビン３００の構成について述べる。固定子コア２００は円環状のコアバック部２０１とコアバック部２０１から内径方向に突出したティース２０２によって構成され、この分轄コアを周方向に配置することで図５−ａのような固定子コア２００を構成する。固定子コア２００と固定子コイル４００とを絶縁するためのボビン３００は図５−ｃに示すように、ボビン３０１と３０２とが軸方向両側に分割され、ティース２０２を軸方向から挟みこむようにして組み立てられる。

図６は本実施例を説明するための図である。図６（ａ）は１０極１２スロットもしくは１４極１２スロット用の集中巻モータの固定子断面構造を示している。図６（ａ）上では、固定子コイル４００はそれぞれ独立した１２個のティースに反時計回り方向にＵ１＋，Ｕ１−，Ｖ１−，Ｖ１＋，Ｗ１＋，Ｗ１−，Ｕ２−，Ｕ２＋，Ｖ２＋，Ｖ２−，Ｗ２−，Ｗ２＋の順で集中巻で巻回されている。ただしこの同じ巻線配置に対して１０極と１４極の回転子を適用した場合、両者で回転方向が異なる。ここで、固定子コイルＵ１＋と、固定子コイル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。固定子コイルＵ２＋と、固定子コイル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、固定子コイルＵ１＋と、固定子コイル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。固定子コイルＵ１−と、固定子コイル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。固定子コイルＶ１＋，Ｖ１−，Ｖ２＋，Ｖ２−の電流の流れ方向の関係、及び固定子コイルＷ１＋，Ｗ１−，Ｗ２＋，Ｗ２−の電流の流れ方向の関係も、Ｕ相の場合と同様である。

固定子コア２００を構成する１２個の分割コア及び分割コアに巻回される固定子コイル４００は、同様に製作される。例えば、Ｕ相は４つのティースで構成されるため、並列回路数を２並列とした場合、２つのティースに直列に巻回される固定子コイルは連続的に巻回され、もう一方の直列に巻回される２つの固定子コイルも連続的に巻回され、バスバーを介して結線処理される。また、並列回路数を１とした場合には４つのティースに巻回される固定子コイルすべてが連続的に巻回される。図６（ｂ）は固定子コア２００を構成する１２個の分割コアとボビン３００と固定子コイル４００とを組んだ状態を示している。ちなみに、固定子コア２００は電磁鋼板などの磁性材料で構成される薄い板状のものを軸方向に積層して作られている。これは固定子に発生する渦電流損を低減させる効果がある。図６（ｃ）は隣り合う同相のコイルが連続的に巻回された図を示している。固定子コイルは巻き始め４０１から巻回しはじめて、ｎターン巻回した後、隣のティースに渡り、隣のティースでは巻方向が逆になるように、連続的に、ｎターンよりも整数ターン分多いか、もしくは整数ターン分少ないターン数で巻回される。そうすることにより、スロットスペースを有効活用でき、占積率の向上および設計の自由度を上げることができる。例えば、一方のティースにｎターン巻回され、もう一方のティースにｎ＋１ターン巻回された場合、その合計巻数は２ｎ＋１ターンとなり、奇数ターンとなることで設計の自由度を上げることができる。従来は両方ｎターン巻回されるか、両方ｎ＋１ターンで巻回されていたため、２つの連続的に巻かれたティースの合計巻数は２ｎまたは２ｎ＋２などの偶数ターンのみしか選択できず、その中間の巻き数が選択できないため、設計の自由度が広がらなかった。また、特に太線の固定子コイルを用いる場合、２ターン分増やせるスロット断面積はないが、スロット中央付近に１ターン分増やせるスロット断面積が存在するなどの場合が考えられ、占積率を向上させる観点からも有効である。以上のような場合、スロット内のスペースを限界近くまで使った場合が多い。従って、一方のティースがｎターンでその隣の同相コイルの巻き数がｎ＋１ターンだった場合、さらにその隣にくる異相のティースの巻き数はｎとなるように、スロットスペースが周方向にある程度均一にする必要がある。また、巻き始め４０１と巻き終わり４０２は逆でも同様のことが言える。また、ボビン３００には巻回するためのガイドが円弧状に設けられていると、巻回し易い構成となり、望ましい。また、巻き始めと巻き終わりの先端を色等で識別できるようにしておけば、製造上便利である。例えば、Ｙ結線の場合、巻き始めと巻き終わりを色等で分けるようにしておけば、中性点接続側と入力線側を見分けやすい。

図７を用いて本発明の第２の実施例について説明する。図７（ａ）は固定子コア２００とボビン３００と固定子コイル４００とを組んだ状態を示している。ここでは固定子コイル４００に角線または平角線を適用している。角線または平角線は固定子コイルを整列的に巻回するのに適しており、占積率の向上が見込める。また、丸線と比較して巻回した後もスロット内でコイルが移動し難く、製造上も比較的便利である。図７（ｂ）は隣り合う同相のコイルが連続的に巻回された図を示している。こちらも巻き始め４０１から二つのティースに対して連続的に固定子コイルを巻回し、巻き終わり４０２に至る。また、第１の実施例同様に一方のターン数がｎターンの場合、隣り合う同相コイルの巻き数はｎターンよりも整数ターン分多いか、もしくは整数ターン分少ない構成とする。また、ボビン３００には巻回するためのガイドが角状に設けられていると、巻回し易く、望ましい。また、第１の実施例同様に巻き始めと巻き終わりの先端を色等で識別できるようにしておけば、製造上便利である。例えば、Ｙ結線の場合、巻き始めと巻き終わりを色等で分けるようにしておけば、中性点接続側と入力線側を見分けやすい。

図８を用いて、本発明の第３の実施例について説明する。図８（ａ）は固定子コア２００とボビン３００と固定子コイル４００とを組んだ状態を示している。図８（ｂ）は隣り合う同相のコイルが連続的に巻回された図を示している。固定子コイルは巻き始め４０１から巻回しはじめて、ｎターン巻回した後、隣のティースに渡り、隣のティースでは巻方向が逆になるように、連続的にｍターン巻回し、そのｍはｎターンよりも０．５ターン分多いか、もしくは０．５ターン分少ないターン数で巻回される。ただし、ｎとｍは整数値とする。そうすることにより、スロットスペースを有効活用でき、占積率の向上および設計の自由度を上げることができる。第１および第２の実施例同様に、細かいターン数の選択が可能になるため、設計の自由度を大幅に上げることができる。さらにこの場合、巻き始めと巻き終わりが軸方向で逆に出されるため、Ｙ結線だと、中性点接続側と入力線側に分けることができる。これにより、中性点側にリレー等の機構を設けたい場合など、スペースが確保できるため、製造上便利である。また、第１〜２の実施例同様に、こうした設計ではスロット内のスペースを限界近くまで使った場合が多い。従って、一方のティースがｎターンでその隣の同相コイルの巻き数が０．５ターン多い場合、さらにその隣にくる異相のティースの巻き数はｎターンとなるように、スロットスペースが周方向にある程度均一にする必要がある。また、巻き始め４０１と巻き終わり４０２は逆でも同様のことが言える。また、ボビン３００には巻回するためのガイドが円弧状に設けられていると、巻回し易い構成となり、望ましい。

図９を用いて本発明の第４の実施例について説明する。図９（ａ）は固定子コア２００とボビン３００と固定子コイル４００を組んだ状態を示している。ここでは固定子コイル４００に角線または平角線を適用している。角線または平角線は固定子コイルを整列的に巻回するのに適しており、占積率の向上が見込める。また、丸線と比較して巻回した後もスロット内でコイルが移動し難く、製造上も比較的便利である。図９（ｂ）は隣り合う同相のコイルが連続的に巻回された図を示している。第３の実施例同様に巻き始め４０１から二つのティースに対して連続的に固定子コイルを巻回し、巻き終わり４０２に至る。また、第３の実施例同様に一方のターン数がｎターンの場合、隣り合う同相コイルの巻き数はｎターンよりも０．５ターン分多いか、もしくは０．５ターン分少ない構成とする。ただし、ｎとｍは整数値とする。また、ボビン３００には巻回するためのガイドが角状に設けられていると、巻回し易く、望ましい。また、第３の実施例同様に巻き始めと巻き終わりを軸方向で分けることが可能なため、中性点接続側と入力線側等に分けることができる。これにより、中性点側にリレー等の機構を設けたい場合など、スペースが確保できるため、製造上便利である。

以上のような実施例の場合、角ティースの巻き数が異なるため、通電時に磁気的アンバランスが引き起こる可能性が予測されるが、実際には、上記で述べた極数とスロット数の組み合わせが１０：１２もしくは１４：１２となるようなモータにおいては、隣り合う同相コイルとの合成ベクトルでトルクが決まるため、大きく影響しない。図１０に特性例を示す。ｎ：ｎの同数巻で構成した場合とｎ：ｎ＋１の異数巻で構成した場合とでは、トルク脈動にほとんど差がないことがわかる。しかし、隣り合う同相コイルの巻数差があまりに大きい場合は磁気的なアンバランスが大きくなることが予想される。そこで、図１０（ｂ）に隣り合う同相コイルの巻数差に対するトルク値とトルク脈動値の変化を示す。ＥＰＳのモータはトルク脈動に厳しい制約があるため、トルク脈動は２．５％以下程度に抑えることが望ましい。従って隣り合う同相コイルの巻数差は２程度に収めることが望ましい。また、図１０（ｃ）に隣り合う同相コイルの巻数がｎ：ｎの場合とｎ：ｎ＋１の場合の回転数に対するトルク性能を示す。例えば、隣り合う同相コイルの巻数がｎ：ｎ＋１の場合、低速回転時にはトルクが大きいが、高速になるにつれ、逆起電力が大きくなるため、トルクが出力し難くなる。一方で、隣り合う同相コイルの巻数がｎ：ｎ−１の場合、低速回転時にはトルクが小さくなるが、高速回転時に逆起電力が小さくなるため、同じ制御方式を用いた場合、高速回転領域までトルクが出力可能となる。このように、高い回転数−トルク特性が必要なＥＰＳモータなどにおいて、必要な領域の特性を確保するために、ターン数を調整するのが望ましい。

以下、本実施例のモータの固定子および回転子構造について詳細を説明する。

図１１は固定子の構造を示している。固定子コアはコアで発生する損失をできるだけ抑えるためにさまざまな工夫を施す必要がある。例えば、図１１（ａ）に示すように１２個の分割コアで固定子コア構成する場合、一つの分割コアを無垢の鉄で形成した場合は渦電流損失の影響が大きいが、圧粉鉄心で構成すれば、コアに発生する渦電流を抑制することができる。また、図１１（ａ）のように薄い板状の軟磁性材料を軸方向に積層した積層鋼板とすることで、渦電流を抑制することもできる。この場合、１枚の板が薄いほど渦電流の抑制効果は大きい。また図１１（ａ）および（ｂ）の両方に対して、分割コアの軸方向に沿う溝２０３を設けることによって、通しボルトなどの固定冶具を通すことができる。図１１（ｃ）に圧粉鉄心を適用した場合、図１１（ｄ）に積層鋼板を適用した場合を示す。溝を設ける箇所については、磁束の通り道を考慮してティースの径方向外側に対して溝を設ける構造が望ましい。また、磁気飽和を緩和するために、スロットの径方向外側角部のR形状などを工夫するとなおよい。さらに、固定子コアのティース内径側については、負荷時の磁気飽和を緩和するため、内径側に向かうにしたがって、ラッパ状に滑らかに広がるような構成としている。

図１２（ａ）は回転子構造を示している。回転子コア５０２は磁性体で構成され無垢鉄に、セグメント型の永久磁石５０１が表面に張り付けられた構造となっている。複数の永久磁石の間には回り止めの機構が設けられており、回転子コアが突起した形状となっている。この突起の大きさが径方向に高すぎると特性に悪影響を及ぼすため、突起の高さは磁石端部の高さの半分程度が良い。また、回転子コア５０２の渦電流損などの影響が大きい場合は、回転子コア５０２に圧粉鉄心を適用したり、図１２（ｂ）に示すように薄板状の電磁鋼板などを積層することで構成すると良い。また、永久磁石５０１は、それぞれ断面形状がかまぼこ型の形状となっている。かまぼこ形状とは、周方向において、左右の半径方向の厚さが、中央の半径方向の厚さに比べて薄い構造のことである。このようなかまぼこ型の形状とすることにより、磁束分布を正弦波状とでき、ＥＰＳモータを回転させることによって発生する誘起電圧波形を正弦波状とすることができ、脈動分を低減することができる。脈動分を小さくできることにより、ステアリングの操舵感を向上できる。なお、リング状の磁性体に着磁してマグネットを構成するとき、着磁力を制御することにより、磁束分布が正弦波状になるようにしてもよいものである。また、図１２（ｃ）に示すように回転子を軸方向に複数個に分割し、それらを段積みにすると共に、ある所定の角度だけ少なくとも一つの段を周方向にずらすことによって、回転子起磁力の脈動を軸方向でキャンセルし、コギングトルクやトルク脈動を低減することができる。また、図１２（ｄ）に占めすように回転子コアに穴を設けることで、回転子の位置決めに利用したり、慣性モーメントを抑えたりすることができる。この場合、穴の位置が磁石に近すぎると、磁束の通り道の邪魔となるので、ある程度距離を空けた方が望ましい。または、永久磁石５０１の着磁方向は図１２（ｅ）に示すように、隣り合う磁石の磁化方向が互い違いになるように着磁される。

図１３も同様に回転子の構造を示している。図１３（ａ）では、回転子コア５０２は磁性体で構成され、無垢鉄に、リング型の永久磁石５０１が表面に張り付けられた構造となっている。また、回転子コアの渦電流損などの影響が大きい場合は、回転子コアに圧粉鉄心を適用したり、図１３（ｂ）に示すように薄板状の電磁鋼板などを積層することで構成すると良い。また、リング磁石を適用した場合は、磁石に連続的なスキューをほどこすことも可能である。図１３（ｃ）に示すようにある所定の角度で軸方向にスキューを入れることで、コギングトルクやトルク脈動を減らすことができる。また、永久磁石の着磁方向は図１３（ｄ）に示すように、それぞれの極が矢印の方向と平行に着磁されているか、もしくは回転子磁石の円に沿って放射状に着磁される。

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Claims

多相の交流電力により駆動される回転電機において、固定子と、前記固定子に空隙を介して回転可能に対向配置された回転子とを有し、前記固定子は、固定子コアと、前記固定子コアに組み込まれた多相の固定子コイルとを備えており、前記固定子コアの隣接する前記ティースコア部間にはスロット部が形成されており、前記固定子コイルは前記スロット部に収納されており、前記回転子は、回転子コアと、前記回転子コアの外周表面に固定された複数の永久磁石とを備えており、前記スロット部の数と前記永久磁石の極数との比が１２：１０もしくは１２：１４となっており、前記固定子コイルのうち隣り合う同相の固定子コイルの巻数が異なることを特徴とする永久磁石式回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、前記固定子コイルのうち，隣り合う同相のコイルの巻数差が２以内であることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、前記固定子コアは、分割された複数のコア片を結合することにより形成されたものであって、３６０度をスロット部の数で除した角度分の環状のバックコア部と径方向に突出する少なくとも一つのティースコア部とを一体で形成し、周方向に並べて固定する構造であることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、電動パワーステアリング用であることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、前記固定子コイルのうち、隣り合う同相のコイルが連続的に巻回され、そのうち、巻線の巻始めと巻終わりが軸方向端部に互いが逆向きに出ることを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、前記固定子コイルと前記固定子コイルが巻回される箇所であるティース部間には絶縁用のボビンが、軸方向２カ所から前記固定子コアを挟み込むように組み込まれていることを特徴とする回転電機。