JP2016214081A - 永久磁石型モータ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの制御性を確保すると共に、リラクタンストルクが利用できる永久磁石型モータを得る。
【解決手段】電機子巻線（１２）は複数組の多相巻線であり、前記電機子巻線（１２）の複数組はそれぞれ個別のインバータから電流が供給され、回転子鉄心（１８）の表面部には、永久磁石（１９）が周方向に配置され、隣り合う前記永久磁石（１９）の極性が互いに逆であり、隣り合う前記永久磁石（１９）の間には、前記回転子鉄心（１８）から突設された磁性体からなる突起部（４６）が設けられ、前記突起部（４６）と前記永久磁石（１９）との間には回転軸方向に非磁性のギャップ部（４７）が介在し、前記突起部（４６）の高さは、前記永久磁石（１９）の高さ以下である。
【選択図】図５

Description

本発明は、固定子鉄心に多重多相巻線が巻回された固定子と、回転子鉄心に隣り合って配置される異極の永久磁石間に磁性体の突起部が設けられている回転子とから構成される永久磁石型モータ及びこれを搭載した電動パワーステアリング装置に関するものである。

特許文献１には、多相巻線とこの多相巻線を駆動するインバータとで構成される多相巻線群を、一つの交流モータ内に複数群有する多重多相巻線モータが開示されている。このようなモータにおいては、ある多相巻線により生じるトルクリップルと、他の多相巻線により生じるトルクリップルとを逆位相となるように、互いのインバータに通電することで、モータ全体のトルクリップルを相殺することができる。

特開平７−２９８６８５号公報

しかしながら、多重多相巻線の交流モータにおいては、複数の多相巻線が近接して配置されていると、ある多相巻線の作る磁束が他の多相巻線に鎖交することで、前記他の多相巻線に電圧を生じさせる。これは他の多相巻線のインバータで通電するための印加電圧に外乱として重畳されることになるので、互いの多相巻線により生じるトルクリップルを逆位相にして相殺するモータ制御がより難しくなるという課題があった。
本発明は、前記課題に鑑み、モータの制御性を確保し得る永久磁石型モータ及びこれを搭載した電動パワーステアリング装置を提供するものである。

本発明の永久磁石型モータは、電機子巻線がスロットに収められた固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子の内周側にエアギャップを介して前記固定子と対向する回転子鉄心を有し、回転軸で回転自在に支承される回転子とを備え、前記電機子巻線は複数組の多相巻線であり、前記電機子巻線の複数組はそれぞれ個別のインバータから電流が供給され、
前記回転子鉄心の表面部には、永久磁石が周方向に配置され、隣り合う前記永久磁石の極性が互いに逆であり、隣り合う前記永久磁石の間には、前記回転子鉄心から突設された磁性体からなる突起部が設けられ、前記突起部と前記永久磁石との間には回転軸方向の全部又は一部に非磁性のギャップ部が介在し、且つ、前記回転子鉄心から突設された前記突起部の高さは、前記永久磁石の高さ以下である。
また、本発明の永久磁石型モータは、電機子巻線がスロットに収められた固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子の内周側にエアギャップを介して前記固定子と対向する回転子鉄心を有し、回転軸で回転自在に支承される回転子とを備え、前記電機子巻線は複数組の多相巻線であり、前記電機子巻線の複数組はそれぞれ個別のインバータから電流が供給され、前記回転子鉄心の表面部には、永久磁石が周方向に配置され、隣り合う前記永久磁石の極性が互いに逆であり、隣り合う前記永久磁石の間には、前記回転子鉄心から突設された磁性体からなる突起部が設けられ、前記突起部と前記永久磁石との間には回転軸方向の全部又は一部に非磁性のギャップ部が介在し、隣り合う前記永久磁石の間に前記回転子鉄心から突設された前記突起部は、前記回転子鉄心の周方向に占める角度が異なる前記突起部を有する鋼板が組み合わさって積層して構成され、且つ前記突起部の１部は隣り合う前記永久磁石に当接して配置されている。

本発明に係る永久磁石型モータは、多重多相巻線交流モータについて、隣り合う永久磁石間に磁性体の突起部が設けられているので、個々の多相巻線ではリラクタンストルクを大きくでき、モータの高出力化ができる。一方、回転子鉄心の表面部に、永久磁石を配置することで、回転子と固定子の間の磁気的ギャップを大きくでき、さらに永久磁石と突起部の間に非磁性のギャップ部を設けることで、多相巻線間の磁気的カップリングすなわち相互インダクタンスの増加を抑制できるので、電流の制御応答周波数が高い場合でも多相巻線間に互いに外乱電圧が重畳しにくく、トルクリップルを相殺するようなモータ制御が可能となる。さらに、回転子鉄心から突設された突起部の高さは、永久磁石の高さ以下であるので、モータ制御性と高回転性を満たし、鉄心長が短くできることから、モータが小型化できる。
また、隣り合う前記永久磁石の間に前記回転子鉄心から突設された前記突起部は、前記回転子鉄心の周方向に占める角度が異なる前記突起部を有する鋼板が組み合わさって積層して構成され、且つ前記突起部の１部は隣り合う前記永久磁石に当接して配置されているので、トルクリップルやコギングトルクを低減できる。
そして、本発明に係る永久磁石型モータを搭載した電動パワーステアリング装置においても、同様な効果を奏することができる。
本発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下の本発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１における多重多相巻線交流モータの電機子巻線の接続方法を示す説明図である。 実施の形態１における多重多相巻線交流モータの組間の電機子巻線の等価回路を示す説明図である。 実施の形態１における多重多相巻線交流モータのｑ軸の等価回路構成を示す説明図である。 実施の形態１における電動駆動装置の構成を示す説明図である。 実施の形態１における多重多相巻線の永久磁石型モータの構成を示す断面図である。 実施の形態１における多重多相巻線交流モータの駆動方法を説明する回路図である。 実施の形態１における多重多相巻線交流モータのトルク特性を示す説明図である。 実施の形態２に係る回転子を簡略化して示す説明図である。 図８に関し、突起部の固定子鉄心に対向する面の占める電気角度θｔを変えたときの無負荷回転数、鉄心長を示す図である。 実施の形態３に係る回転子を簡略化して示す説明図である。 図１０に関し、永久磁石の厚さＴｍを一定として突起部の高さｈを変えたときの無負荷回転数、鉄心長を示す図である。 実施の形態４に係る回転子を簡略化して示す説明図である。 図１２に関し、突起部の幅を一定としたまま、永久磁石と突起部の間隔を変化させた場合の定格トルクの変化を示す図である。 実施の形態５における回転子の構成を示す説明図である。 実施の形態１における回転子を示す斜視図である。 実施の形態６における回転子を示す斜視図である。 実施の形態１におけるモータ端子の電圧波形を示す説明図である。 一般的な電動パワーステアリング装置の構成を示す説明図である。

実施の形態１．
図１８は自動車の一般的な電動パワーステアリング装置の構成を示す説明図である。運転者はステアリングホイール（図示しない）を操舵し、そのトルクがステアリングシャフト（図示しない）を介してシャフト３に伝達される。このときトルクセンサ４が検出したトルクは電気信号に変換されケーブル（図示しない）を通じてコネクタ１を介してＥＣＵ（Electronic Control Unit）に伝達される。ＥＣＵは制御基板とモータを駆動するインバータ回路を備えている。一方、車速などの自動車の情報が電気信号に変換されコネクタ２を介してＥＣＵに伝達される。ＥＣＵはこのトルクと車速などの自動車の情報から、必要なアシストトルクを演算し、インバータを通じて永久磁石型モータ５に電流を供給する。

永久磁石型モータ５はラック軸の移動方向Ｄｒ（矢印で示す）に平行な向きに配置されている。また、ＥＣＵへの電源供給は、バッテリーやオルタネータから電源コネクタ６を介して送られる。モータ５が発生したトルクはベルト（図示せず）とボールネジ（図示せず）が内蔵されたギヤボックス７によって減速されハウジング８の内部にあるラック軸（図示せず）を矢印の方向Ｄｒに動かす推力を発生させ、運転者の操舵力をアシストする。これにより、タイロッド９が動き、タイヤが転舵して車両を旋回させることができる。永久磁石型モータ５のトルクによってアシストされ運転者は少ない操舵力で車両を旋回させることができる。なお、ラックブーツ１０は異物が装置内に侵入しないように設けられている。また、モータ５とＥＣＵは一体となって、電動駆動装置を構成している。

図４は実施の形態１における電動駆動装置の構成を示す説明図である。なお、各図中、同一符号は、同一又は相当部分を示す。電動駆動装置は本発明の永久磁石型モータである多重多相巻線交流モータとＥＣＵが一体となった構造となっている。まず、多重多相巻線を有する永久磁石型モータについて説明する。永久磁石型モータ５は、電磁鋼板を積層して構成される固定子鉄心１１と固定子鉄心１１に収められた電機子巻線１２と固定子鉄心１１を固定するフレーム１３を有する。さらにフレーム１３はモータ５の前面部に設けられたハウジング１４とボルト１５によって固定されている。ハウジング１４には軸受１５ａが設けられ、軸受１５ａは軸受１５ｂと共に、回転軸（シャフト）１６を回転自在に支承している。軸受１５ｂはフレーム１３と一体あるいは別体に設けられた壁部１７に支持されている。シャフト１６には回転子鉄心１８が圧入されていて、回転子鉄心１８には永久磁石１９が固定されている。シャフト１６の前端部にはラック軸を駆動するプーリー２０が結合されている。シャフト１６の後端部にはセンサ用永久磁石２１が結合されている。

フレーム１３はモータ５の後面部に設けられたヒートシンク２４を兼ねたハウジングによって固定されている。ヒートシンク２４の後面部には、ケース２５が密封して固定されている。ケース２５の内部には、ＥＣＵの制御基板２６とモータ５を駆動するインバータ回路を構成するスイッチング素子２７とが中間部材３４を介在させて収納されている。スイッチング素子２７はヒートシンク２４上に載置されて発生する熱を放熱している。モータ５の回転位置を検出するセンサ部２８には、シャフト１６に結合されたセンサ用永久磁石２１に対向して磁気センサ２９付き基板３０が設けられ、磁気センサ２９で検出したモータ５の回転位置を接続部材３１を経由して制御基板２６に出力している。３２は接続部材３１を基板３０に固着する支持部であり、３３は基板３０に対してヒートシンク２４に設けられた凹部３３である。

図５は多重多相巻線の永久磁石型モータの構成を示す断面図である。回転子４１の外周側に固定子４２が設けられ、固定子４２は電機子巻線１２と固定子鉄心１１を有する。固定子鉄心１１は電磁鋼板などの磁性体で構成される環状のコアバック４３とコアバック４３から内周側に延びるティース４４から構成される。隣り合うティース４４間に設けられたスロット４５に電機子巻線１２が納められている。図示しないが、電機子巻線１２と固定子鉄心１１との間には絶縁紙などが挿入され電気的絶縁を確保している。ティース４４は、例えば、全部で４８個設けられており、したがってスロット４５も４８個となっている。スロット４５にはスロット番号１〜４８が付されている。スロット４５には電機子巻線１２のコイルが納められている。

第１電機子巻線組は、Ｕ１相，Ｖ１相，Ｗ１相の３相から構成され（図１参照）、第２電機子巻線組は、Ｕ２相，Ｖ２相，Ｗ２相の３相から構成されている。巻線の配置は図５に示すように1番目のスロットから順にＵ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２，Ｖ１，Ｖ２となっており、７番目以降もＵ１，Ｕ２，Ｗ１，Ｗ２，Ｖ１，Ｖ２の順に配置されていて、４８番目まで同様の順に配置されている。すなわち、第１電機子巻線と第２電機子巻線は隣り合うスロットに配置されている。ただし、1番目のスロットのＵ１と７番目のスロットのＵ１は電流の向きが互いに逆になるように電機子巻線が配置されている。すなわち、１番目のスロットから７番目のスロットに巻かれた分布巻の構成となっている。電機子巻線は計６個のティース４４を跨っていることになる。これは電気角１８０度に相当し、短節巻係数が１となるため、永久磁石が発生する磁束を有効に利用でき、小型高トルクのモータが得られ、永久磁石の量を少なくできるため、巻線係数が小さいモータに比べて低コスト化が実現できるという効果がある。

固定子４２の内周側には、回転子鉄心１８の表面に、固定子鉄心と対向する永久磁石１９を備えた回転子４１が設けられている。永久磁石１９は周方向に８個並んだ構成となっている。隣り合う永久磁石１９の極性は互いに逆となっている。さらに、回転子鉄心１８の表面の永久磁石１９間にはそれぞれ突起部４６が設けられている。突起部４６の両側で突起部４６と永久磁石１９との間には、それぞれ漏れ磁束を低減するための非磁性のギャップ部４７が設けられている。突起部４６はモータ５の空隙を小さくする効果があり、インダクタンスが大きくなる。これによって弱め磁束制御が効果を発揮しやすくなり、高速回転時のトルク向上ができるという効果がある。回転子鉄心１８は電磁鋼板などを積層して構成されており、電磁鋼板同士はカシメ部（図示しない）によって互いに連結されている。回転子鉄心１８中央にはシャフト１６が貫通している。なお、図５において、永久磁石１９の飛散防止のため永久磁石１９の外周を覆うように金属製の保護管を設けてもよい。保護管は例えば、アルミニウムやＳＵＳ（ステンレス鋼）のような非磁性の金属で構成される。

図６は実施の形態１における多重多相巻線交流モータの駆動方法を説明する回路図である。同図に示すように、多重多相巻線交流モータ５の６相（Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２）の電機子巻線は、第１インバータの３相端子（Ｕ１´，Ｖ１´，Ｗ１´）、第２インバータの３相端子(Ｕ２´，Ｖ２´，Ｗ２´）にＵ１とＵ１´，Ｕ２とＵ２´，Ｖ１とＶ１´，Ｖ２とＶ２´，Ｗ１とＷ１´，Ｗ２とＷ２´同士が接続されている。

このような複数のインバータで駆動される多重多相巻線のモータ５では、多相巻線組の作る磁束が他の多相巻線組に鎖交することで、前記の他の多相巻線組に電圧を生じさせる。これは他の多相巻線組にインバータで通電するための印加電圧に外乱として重畳することになるので、互いの多相巻線組により生じるトルクリップルを逆位相にして相殺するモータ制御がより難しくなるという課題があった。

図１は２重３相巻線のモータの電機子巻線の接続方法を示す説明図である。図１（ａ）はΔ結線の説明図、図１（ｂ）はＹ結線の説明図である。本発明はΔ結線，Ｙ結線いずれにも適用できる。第１巻線組（第１電機子巻線組）のＵ１相と第２巻線組（第２電機子巻線組）のＵ２相の電機子巻線の等価回路は図２のように表すことができる。図２において、Ｖuは巻線の各端子電圧、Ｉuは電流、Ｒは抵抗、Ｖｅは誘起電圧、ｌｍは漏れインダクタンス、Ｍは相互インダクタンスを表しており、添字の１，２はそれぞれ１次側，２次側を示している。またｎはトランスで言う巻数比である。なお、これらの値のうち、特にｌｍとＭは通常のモータ制御で用いる値とは異なり、並列して配置された多重の二相間のインダクタンスを示す。

また、一般的には、多重多相巻線交流モータでは並列する巻線の巻数は同じであるのでｎ＝１である。Ｖ１相とＶ２相，Ｗ１相とＷ２相，Ｕ１相とＶ２相，Ｕ１相とＷ２相，Ｖ１相とＵ２相，Ｖ１相とＷ２相，Ｗ１相とＵ２相，Ｗ１相とＶ２相の等価回路も図２と同じであるので、三相平衡の場合、ＵＶＷ三相から回転子のｄｑ軸に座標変換を行っても、このｄｑ軸での等価回路は図２に示した等価回路と同じとなる。

さらに回転子ｄｑ軸に座標変換したときのｑ軸の等価回路をブロック図形式で表したものを図３に示す。図中でｖｑ１とｖｑ２ はそれぞれ第１巻線組と第２巻線組のｑ軸電圧、ｉｑ１とｉｑ２はそれぞれ第１巻線組と第２巻線組のｑ軸電流、Ｌｑ１とＬｑ２はそれぞれ第１巻線組と第２巻線組の巻線の自己インダクタンスのｑ軸成分、Ｒa１とＲa２は第１巻線組と第２巻線組の巻線の抵抗成分、Ｍｑ１２とＭｑ２1は第１巻線組と第２巻線組の間の巻線の相互インダクタンスのｑ軸成分である。ｓはラプラス変換の微分演算子を表す。ｖｑ１２とｖｑ２１はそれぞれ第１巻線組と第２巻線組の間の相互インダクタンスにより、第１巻線組と第２巻線組に重畳する外乱電圧である。なお、図３は回転子ｑ軸上の等価回路を示したものであるが、回転子ｄ軸上の等価回路も同様の構成である。外乱電圧は電流の制御応答周波数である微分値sに比例するため、モータ制御で電流を高速に制御しようとするほど大きくなるので、高い応答周波数でのトルクリップルを相殺するモータ制御が困難になる。

次に実施の形態１の永久磁石型モータでトルクリップルが低減できる理由を説明する。図５に示すように永久磁石型モータの固定子鉄心のスロットピッチは、スロットの数４８と極数８であることから電気角で３６０度／４８×４＝３０度となっている。さらに、隣り合うスロット４５に第１電機子巻線と第２電機子巻線が納められているため、Ｕ１とＵ２は互いに電気角３０度位相がずれている。Ｖ１とＶ２，Ｗ１とＷ２も互いに電気角３０度位相がずれている。したがって、第１電機子巻線と第２電機子巻線に互いに３０度だけ位相がずれた３相交流電流が通電されている場合には、第１電機子巻線の起磁力によって発生する電気角６次のトルクリップルと第２電機子巻線の起磁力よって発生する電気角６次のトルクリップルの位相が反転し、電気角６次のトルクリップルがキャンセルされる。第１電機子巻線と第２電機子巻線で位相が異なる電流を流すのは、図３のような第１インバータと第２インバータの２台のインバータを設け、それぞれ個別の制御を行う回路により実現できる。なお、第１電機子巻線と第２電機子巻線の電流位相の差が２０〜４０度付近であれば同様の効果が得られる。

図７は実施の形態１における多重多相巻線交流モータのトルク特性を示す説明図である。同図において、トルク特性は横軸を回転数としたときのトルク値で表される。多重多相巻線交流モータの出力は回転数とトルクの積で表されるため、多重多相巻線交流モータを高出力化するためには、図７におけるトルク特性をより高トルク、高回転化する必要がある。ここで、図７に示すように、トルク特性は駆動条件の違いから運転領域Ａと運転領域Ｂに分類できる。運転領域Ａでは、モータに供給される電流量が制限されるためトルクの回転数依存性が小さく、運転領域Ｂでは、モータに供給される電圧量が制限されるためトルクの回転数依存性が大きい。すなわち、モータを高出力化するためには、駆動条件の異なる運転領域Ａと運転領域Ｂのトルクを共に向上することが必要となる。

実施の形態１における多重多相巻線交流モータでは、運転領域Ａではトルクを最大化するために回転数によらずほぼ一定のｄ軸電流を供給し、運転領域Ｂでは電圧飽和を緩和するために回転数毎に異なるｄ軸電流を供給する。ここで、実施の形態１の多重多相巻線交流モータのトルクＴは以下のように表される。

ただし、式（１）のφｍは永久磁石によって生じる磁束量、ｉｄ，ｉｑはそれぞれ多重多相巻線に供給されるｄ軸，ｑ軸電流、Ｐは多重多相巻線交流モータの磁極数を表す。また右辺一項目がマグネットトルクであり、二項目がリラクタンストルクを表す。実施の形態１では図８に示すように、隣り合う永久磁石１９の間に、回転子鉄心（界磁極鉄心）１８から突設された磁性体からなる、固定子鉄心（電機子）に対向する面の占める角度θｔの突起部４６を有しているため、特にｑ軸方向の磁束の通り易さを表すＬｑがＬｄと比較して向上する。よって、実施の形態１では運転領域Ａと運転領域Ｂでｄ軸電流を供給するため式（１）のリラクタンストルクを利用することができ、前記運転領域Ａと運転領域Ｂ（高速領域）のトルクを向上することができるので、多重多相巻線交流モータを高出力化できる。ここで、モータのインダクタンスＬｑは、図８に示すモータの突起部４６が固定子鉄心に対向する面の占める角度θtに依存し、前記運転領域Ａや運転領域Ｂのトルクは、θｔを調整することで決定できる。なお、図８で、θｍは回転子鉄心１８の表面に設けられた永久磁石１９の固定子鉄心に対向する面の占める角度であり、Ｏは回転子の回転中心である。

次に、実施の形態１における外乱電圧の影響について考える。ここで、図３より分かるように、多重化された巻線を有する多重多相巻線交流モータでは、外乱電圧が相互に作用して、電流制御系に対して外乱値iq1´、iq2´として作用する。外乱値iq1´、iq2´は、図３のｑ軸の等価回路のブロック図から、以下のように表される。

ここで、ｉｑ１、ｉｑ２は第１巻線組，第２巻線組それぞれの巻線のｑ軸電流であり、Ｒa１、Ｒa２は第１巻線組，第２巻線組それぞれの巻線の抵抗値であり、Ｌｑ１，Ｌｑ２は第１巻線組、第２巻線組それぞれの巻線の自己インダクタンスのｑ軸成分であり、Ｍｑ１２は第１巻線組，第２巻線組の巻線の干渉を表す相互インダクタンスのｑ軸成分である。

以上より、電流制御の周波数が高くなった場合、ラプラス変換の微分演算子ｓが大きくなり、また前記の式より、外乱値はほぼ磁気カップリングＭｑ１２/Ｌｑ１もしくは磁気カップリングＭｑ１２/Ｌｑ２に依存することは明らかである。同磁気カップリングが大きくなった場合、外乱値が大きくなり、電流制御系の外乱が大きくなると電流制御系の応答を高くすることができず、モータの制御性が悪化する。なお、実施の形態１の電機子は第１巻線組，第２巻線組が対称構造のため、Ｍｑ１２/Ｌｑ１≒Ｍｑ１２/Ｌｑ２と考えてもよい。よって、以後磁気カップリングはＭｑ１２／Ｌｑ１について述べる。ここで、電機子コイルＵ１とＵ２は隣り合うスロットに配置されており、隣り合うスロット間の角度をθ（電気角）としたとき、θは以下の式で表される。

ここで、Ｐは多重多相巻線交流モータの磁極数、Ｎはスロット数であり、実施の形態１ではＰ＝８、Ｎ＝４８なのでθ＝３０度（電気角）となる。ここで、例えば第１巻線組の電機子コイルＵ１に電流を供給して磁束φＵ１を発生させたとき、第２巻線組の電機子コイルＵ２に鎖交する磁束φＵ２は簡易的に以下のように示される。

これは、電機子コイルＵ１とＵ２とが電気角でθ＝３０度（電気角）の位相差を有するためである。また、式（５）の関係は、他の第１巻線組，第２巻線組間の隣り合う電機子コイルの組み合わせにおいても成立する。なお、式（５）は磁束に関する関係式であるが、電機子コイルＵ１に電圧Ｖu1を印加したときに電機子コイルＵ２に発生する電圧Ｖu2についても同様の関係式が成り立つ。モータの第１巻線組のＵ１−Ｖ１を励磁したときに第２巻線組のＵ２−Ｖ２に発生する電圧についても同じ関係式が成り立つことを示している。

したがって、第１巻線組に電流を供給したときに前記電機子の多重多相巻線組に生じる磁束についてｄｑ軸変換を行うと、第１巻線組のｑ軸磁束φｑ１、第２巻線組のｑ軸磁束φｑ２について以下の式が成立する。

式（７）のように０．８６６では第１巻線組と第２巻線組の磁気的カップリングが大きく、電流制御系の応答を十分高くすることができず、モータの制御性が良くないという課題があった。これに対し、実施の形態１では、回転子４１側の構造を工夫することで磁気的カップリングを低減している。図５に示すように回転子４１は回転子鉄心１８の表面に永久磁石１９を配置している。永久磁石１９は周方向に８個配置されていて、それぞれの着磁方向は周方向に隣り合う永久磁石１９の着磁方向が互いに逆になるように着磁されている。回転子鉄心１８の表面に永久磁石１９を配置することで回転子４１と固定子４２の間の磁気的ギャップを大きくできるため第１巻線組と第２巻線組の磁気的カップリングを低減できるという効果が得られる。

また、隣り合う永久磁石１９の間には突起部４６が設けられている。この突起部４６は磁性体で構成されている。回転子鉄心１８は電磁鋼板やＳＰＣＣ（冷間圧延鋼板）などの鋼板を積層して構成されていて、突起部４６はこの電磁鋼板やＳＰＣＣを金型で打ち抜くことで一体となるように構成される。突起部４６があるために、インダクタンスを向上し、弱め磁束制御の効果を発揮しやすく、高速回転でのトルクを向上できるという効果がある。また、リラクタンストルクを発生させることができ、モータのトルクが向上でき永久磁石１９の使用量を低減することができるという効果がある。永久磁石１９と突起部４６の間には、突起部４６の両側に非磁性のギャップ部４７を設けている。ギャップ部４７は空隙（空気）であってもよいし、アルミニウムやＳＵＳ（ステンレス鋼）などの非磁性の金属あるいは樹脂などで構成されていてもよい。ギャップ部４７が空隙の場合は重量が軽減できる。

非磁性のギャップ部４７があることで、永久磁石１９と突起部４６の間に発生する漏れ磁束を低減することができる。したがって、トルクが向上し永久磁石１９の使用量を低減することができるという効果がある。また、同時にこの非磁性のギャップ部４７は固定子４２と回転子４１の磁気的ギャップとしても作用するため、第１巻線組と第２巻線組の巻線間の磁気的カップリングを低減できるという効果がある。

図１５は実施の形態１における回転子を示す斜視図である。図１５では永久磁石１９と突起部４６の間に設けられた非磁性のギャップ部４７は軸方向全域にわたって設けられている。このような構成とすることで、永久磁石１９と突起部４６の間に発生する漏れ磁束を効果的に低減できるとともに前述した磁気的カップリングも効果的に低減できるという効果が得られる。ただし、非磁性のギャップ部４７は軸方向全域にわたって設ける必要は必ずしもない。軸方向の一部の領域で突起部４６の幅を大きくして、永久磁石１９の側面と当接する構成とすれば、永久磁石１９の周方向の位置決めが可能となるため、永久磁石１９を配置する位置精度が向上できる。その結果、回転子側のアンバランスに起因するトルクリップルを低減できるという効果がある。

以上のような構成とすることで、

とすることができ、制御性を向上できるという効果も得られる。これによって、モータの第1巻線組のＵ１−Ｖ１端子を電圧Ｖu1-v1で励磁したときに第２巻線組のＵ２−Ｖ２端子に発生する電圧Ｖu2-v2について

が成り立つことを示している。交流電圧を第１巻線組のモータ端子に印加し、第２巻線組のモータ端子の電圧を測定したときの電圧波形を図１７に示す。縦軸の電圧はＶu1-v1が１となるように規格化している。また、電圧の周波数は電機子巻線のリアクタンスに対して抵抗が無視できるほど周波数の高い周波数として１ｋＨｚとした。また、電圧波形は正弦波とした。図１７から、Ｖu2-v2はＶu1-v1に０．８６６を乗じた値より十分小さくなっているため、式（９）の条件をみたし、第１巻線組と第２巻線組の間の磁気的カップリングが小さく制御性のよいモータが得られたことがわかる。

さらに、非磁性のギャップ部４７を設けたことで前述したように永久磁石１９と突起部４６の漏れ磁束の低減と高速回転時のトルク向上といった効果も得られる。なお、前記の説明においては、巻線組が電気的に３０°の位相差を有している８極４８スロットの多重多相巻線交流モータで説明を行ったが、この巻線組間の位相差、極数、スロット数に限定されるものではなく、巻線が電気的に２つに分離されており、またそれぞれの巻線組が異なるモータ駆動装置で駆動されている多重多相巻線交流モータについて、前記と同様の効果が得られる。

また、前記の説明において、電機子巻線は複数個のティース４４に跨って巻回されている場合について説明したが、１つのティース４４に集中的に巻回されている場合においても前記と同様の論理が成立する。また、前記の説明においては電機子巻線の巻線ピッチを電気角１８０°の全節巻とした場合について説明したが、電気角１８０°以外とした場合でも前記と同様の効果が得られる。また、前記の説明においては、巻線が電気的に２つの巻線組に分離されており、かつ２つの異なるモータ駆動装置で駆動されている多重多相巻線交流モータについて説明を行ったが、巻線組の分離される数やモータ駆動装置の数が増加した場合についても前記と同様の効果が得られる。

実施の形態１の多重多相巻線交流モータを電動パワーステアリング装置に適用すれば、トルクリップルを低減して、ドライバーの操舵フィーリングを向上できる。また、電動パワーステアリング装置が搭載された車両の静粛性を向上することができる。多重多相巻線交流モータの出力が向上するので、電動パワーステアリング装置を小型化、軽量化でき、電動パワーステアリング装置が搭載された車両を小型化、軽量化できるという効果が得られる。

実施の形態２.
図８は回転子の構造を示し、簡略化のため２極分のみを示す。突起部４６において固定子鉄心に対向する面の占める角度をθｔとする。図９は図８においてθｔを変化させたときの無負荷回転数、鉄心長（鉄心の回転軸方向の長さ）を示す図である。値は突起部４６を設けない場合、すなわちθｔ＝０のときの値に対する比率である。θｔは電気角で表している。永久磁石１９はモータ断面（回転軸に垂直は断面）での断面積が一定となる条件を課しており、定格トルクがθｔ＝０の場合と等しくなるように鉄心長を調整している。突起部４６の幅θtを０から大きくしていくと、突起部４６の幅が増していくので、マグネットトルクに代わってリラクタンストルクを利用できるようになるので、鉄心長が減少し、巻線抵抗も減少し、無負荷回転数が大きくなる。０＜θt≦５０（度）とするとモータ鉄心長を小さくできると同時に無負荷回転数が大きくなる。運転領域Ｂ（高速領域）ではリラクタンストルク、運転領域Ａ（低回転領域）はマグネットトルクを利用でき、回転軸長を突起部を設けない場合と比較して増加させずに運転領域Ｂのトルクを向上できる。

また、前述したように回転子鉄心の表面に永久磁石１９を配置することで回転子４１と固定子４２の間の磁気的ギャップを大きくできるため、第１巻線組と第２巻線組の磁気的カップリングを低減できるという効果が得られる。また、永久磁石１９と突起部４６の間には非磁性のギャップ部４７を設けているので永久磁石１９と突起部４６の間に発生する漏れ磁束を低減でき、同時にこの非磁性のギャップ部４７は固定子４２と回転子４１の磁気的ギャップとしても作用するため、第１巻線組と第２巻線組の電機子コイル間の磁気的カップリングを低減できるという効果がある。

特に電動パワーステアリング用モータでは、緊急回避時に障害物を回避するためにハンドルを高速で切らなければいけないので高速回転数が必要であると共に、車庫入れや駐車時には高トルクが必要である。さらに、燃費が悪化する重量増加は避けなればならないこと、取付け性を悪化させないために長さを長くできないこと、などから突起部４６のないθｔ＝０と同等の鉄心長を制約に加えると、０＜θt≦５０（度）が最適な範囲であるといえる。

実施の形態３．
図１０は回転子の構造を示し、簡略化のため１極分のみを示す。永久磁石１９の厚さをＴｍ、突起部４６の高さ（突起部４６の永久磁石の下端面からの高さ）をｈとする。図１１は永久磁石１９の厚さＴｍを一定として突起部４６の高さｈを変えたときの無負荷回転数、鉄心長を示す図である。値は突起部４６がない場合ｈ＝０に対する比率である。永久磁石１９はモータ断面での断面積が一定となる条件を課しており、定格トルクがh＝０の場合と等しくなるように鉄心長を調整している。

ｈ／Ｔｍが大きくなるにつれて突起部４６の高さが増していくので、マグネットトルクに代わってリラクタンストルクを利用できるようになり、鉄心長が減少し、巻線抵抗も減少し、無負荷回転数が大きくなる。ｈ／Ｔｍ＝１、つまり、突起部４６の高さが永久磁石１９厚さと等しいときに、鉄心長は最小となる。一般にリラクタンスモータのように突極性の大きなモータはトルクリップルが大きくなるので、ｈ／Ｔｍ＞１の範囲は操舵フィーリングが悪化するので望ましくなく、０＜ｈ／Ｔｍ≦１の範囲が、モータ制御性と高回転性能を満たす最適な範囲である。この領域でも突起部４６がない場合に比べて、鉄心長が短くできることから、モータが小型化できるため、燃費向上や取付け性の面で優位である。

また、前述したように回転子鉄心１８の表面に永久磁石１９を配置することで回転子４１と固定子４２の間の磁気的ギャップを大きくできるため、第１巻線組と第２巻線組の磁気的カップリングを低減できるという効果が得られる。また、永久磁石１９と突起部４６の間には非磁性のギャップ部４７を設けているので永久磁石１９と突起部４６の間に発生する漏れ磁束を低減でき、同時にこの非磁性のギャップ部４７は固定子４２と回転子４１の磁気的ギャップとしても作用するため、第１巻線組と第２巻線組の電機子コイル間の磁気的カップリングを低減できるという効果がある。

実施の形態４．
図１２は回転子の構造を示し、簡略化のため1極分のみを示す。永久磁石１９と突起部４６の間の非磁性のギャップ部分４７の周方向の角度をθａ１，θａ２とする。ここではθａ１＝θａ２としている。θａ１＝θａ２とすることで、磁気的なバランスが取れるためトルクリップルが小さくできるという効果がある。図１３は突起部４６の幅を一定としたまま、永久磁石１９と突起部４６の間隔すなわち非磁性のギャップ部４７の周方向の角度を変化させた場合の定格トルクの変化を示す図である。値は間隔がゼロの時を１００％とした場合の比率である。横軸のθａはθａ＝θａ１＋θａ２として定義している。

間隔θaが０から大きくなるにつれて、永久磁石１９の磁束が回転子４１内で漏れる量が減少するため、トルクに寄与する磁束量が増加し、定格トルクが増加していく。間隔θaが１０度を越えるとトルクに寄与する永久磁石１９磁束が減少していくので、永久磁石１９磁束そのものの減少する影響が大きくなっていく。間隔θaが２０度を超えると、間隔０の場合よりも定格トルクは減少してしまう。

以上より、０＜θa＜２０°の範囲が定格トルクを大きくする最適な範囲である。また、前述したように回転子鉄心１８の表面に永久磁石１９を配置することで回転子４１と固定子４２の間の磁気的ギャップを大きくできるため第１巻線組と第２巻線組の磁気的カップリングを低減できるという効果が得られる。また、永久磁石１９と突起部４６の間には非磁性のギャップ部４７を設けているので、永久磁石１９と突起部４６の間に発生する漏れ磁束を低減でき、同時にこの非磁性のギャップ部４７は固定子４２と回転子４１の磁気的ギャップとしても作用するため、第１巻線組と第２巻線組の電機子コイル間の磁気的カップリングを低減できるという効果がある。

実施の形態５．
これまでの実施の形態１〜４では非磁性のギャップ部４７がモータの回転軸方向に均一に設けられた例について述べたが、これに限らない。図１４は実施の形態５における突起部４６のある鉄心と、突起部４６のない、もしくは突起部４６の小さな鉄心、又は永久磁石押さえとなる突起部４６を有する鉄心を組み合わせて積層した構成を示す説明図である。簡略化のため１極分のみ示している。

図１４においてＡ１，Ａ２で示した部分は突起部４６が永久磁石１９と当接していて非磁性のギャップ部４７がない領域である。Ｂ１，Ｂ２で示した部分は非磁性のギャップ部４７を設けた領域である。Ｃ１，Ｃ２で示した部分はＢ１，Ｂ２よりも広い非磁性のギャップ部４７を設けた領域である。Ｄは突起部４６のない領域である。Ａ１，Ａ２で示した領域の突起部４６は永久磁石１９の位置決めに利用できる。また、突起部４６の幅や高さなど形状が異なるとトルクリップルやコギングトルクを変化させることができるため、図１４のように、これらを回転軸方向に組み合わせることでトルクリップルやコギングトルクを低減できるという効果が得られる。また図１４のような、回転子鉄心１８は金型の構成を工夫することで積層可能であり、大幅にコストアップすることなく上記効果を得ることができる。

実施の形態６．
これまでの実施の形態１〜５では、永久磁石１９と回転子鉄心１８の突起部４６の間の非磁性のギャップ部は空気である例について述べてきた。しかし、本発明はそれに限らない。図１６は非磁性のギャップ部を樹脂部材４８で構成した回転子を示す斜視図である。非磁性のギャップ部は樹脂部材が永久磁石１９の側面に当接するように配置されている。これにより、永久磁石１９の周方向の位置決めが可能となり、回転子側の製造ばらつきを低減できるため、コギングトルクやトルクリップルの小さいモータを得ることができるという効果がある。また、樹脂部材４８によって永久磁石１９の径方向を固定することで、永久磁石１９の飛散防止の効果が得られる。また、接着剤を省略すれば、生産コストや材料コストを低減できるという効果が得られる。非磁性部のギャップ部４７は樹脂に限らず、非磁性のアルミニウム，ＳＵＳなどの金属でも同じ効果が得られる。ただし、樹脂は金属と比べて軽量であるため、モータの軽量化やイナーシャ低減の効果がある。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (5)

1. 電機子巻線がスロットに収められた固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子の内周側にエアギャップを介して前記固定子と対向する回転子鉄心を有し、回転軸で回転自在に支承される回転子とを備え、
   前記電機子巻線は複数組の多相巻線であり、
   前記電機子巻線の複数組はそれぞれ個別のインバータから電流が供給され、
   前記回転子鉄心の表面部には、永久磁石が周方向に配置され、隣り合う前記永久磁石の極性が互いに逆であり、
   隣り合う前記永久磁石の間には、前記回転子鉄心から突設された磁性体からなる突起部が設けられ、
   前記突起部と前記永久磁石との間には回転軸方向の全部又は一部に非磁性のギャップ部が介在し、且つ、前記回転子鉄心から突設された前記突起部の高さは、前記永久磁石の高さ以下であることを特徴とする永久磁石型モータ。
2. 電機子巻線がスロットに収められた固定子鉄心を有する固定子と、前記固定子の内周側にエアギャップを介して前記固定子と対向する回転子鉄心を有し、回転軸で回転自在に支承される回転子とを備え、
   前記電機子巻線は複数組の多相巻線であり、
   前記電機子巻線の複数組はそれぞれ個別のインバータから電流が供給され、
   前記回転子鉄心の表面部には、永久磁石が周方向に配置され、隣り合う前記永久磁石の極性が互いに逆であり、
   隣り合う前記永久磁石の間には、前記回転子鉄心から突設された磁性体からなる突起部が設けられ、
   前記突起部と前記永久磁石との間には回転軸方向の全部又は一部に非磁性のギャップ部が介在し、隣り合う前記永久磁石の間に前記回転子鉄心から突設された前記突起部は、前記回転子鉄心の周方向に占める角度が異なる前記突起部を有する鋼板が組み合わさって積層して構成され、且つ前記突起部の１部は隣り合う前記永久磁石に当接して配置されていることを特徴とする永久磁石型モータ。
3. 前記電機子巻線は２組の３相巻線であり、
   前記電機子巻線の第１組は第１インバータから電流が供給され、
   前記電機子巻線の第２組は第２インバータから電流が供給され、
   前記２組の３相巻線について、前記電機子巻線の第１組をＵ１相，Ｖ１相，Ｗ１相とし、
   前記電機子巻線の第２組をＵ２相，Ｖ２相，Ｗ２相としたとき、
   前記Ｕ１相とＵ２相の巻線は互いに隣り合うスロットに納められ、
   前記Ｖ１相とＶ２相の巻線は互いに隣り合うスロットに納められ、
   前記Ｗ１相とＷ２相の巻線は互いに隣り合うスロットに納められ、
   前記第１組の３相巻線と前記第２組の３相巻線とに流れる電流の位相を互いに電気角２０度以上４０度以下の角度ずらして、前記第１インバータと第２インバータが駆動されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の永久磁石型モータ。
4. 前記回転子鉄心から突設された前記突起部が前記固定子鉄心に対向する面の占める電気角度θtは、０＜θｔ≦５０度であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石型モータ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の永久磁石型モータを搭載したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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