JP2017112778A - 永久磁石同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期モータの正転・逆転時のトルク脈動の差異を低減し、操舵感の向上を目的とする。【解決手段】本発明に係る永久磁石同期モータは、複数の第１磁石を有する第１回転子と、前記第１回転子に対して回転軸方向に並べられかつ複数の第２磁石を有する第２回転子と、を備え、前記第１回転子は、前記複数の第１磁石のそれぞれを固定する複数の第１固定部を有し、前記第２回転子は、前記複数の第２磁石のそれぞれを固定する複数の第２固定部を有し、前記複数の第１磁石のそれぞれは、周方向における前記複数の第１固定部のそれぞれの一方面側に近づけて配置され、前記複数の第２磁石のそれぞれは、周方向における前記複数の第２固定部のそれぞれの面であって、前記一方面側とは反対側の他方面側に近づけて配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石同期モータに関し、特に電動パワーステアリング装置などの自動車用電動補機システムに用いられる永久磁石同期モータに関する。

電動化による油圧の代替や、ハイブリッド自動車、電気自動車の市場拡大の流れを受けて、電気モータがステアリングホイール操作をアシストする電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳ）装置の装着率が急速に増大している。

ＥＰＳ装置では、運転者はステアリングホイールを介して、モータのトルク脈動を手に感じることになる。このため、ＥＰＳ用モータでは、トルク脈動をアシストトルクの１〜数％以下程度に、コギングトルクをアシストトルクの0.1％程度に小さくする必要がある。さらに、近年、アイドリングストップ機能搭載車の普及を背景に、エンジンの静音化が進展している。この結果、車室内騒音の低減の観点から、ＥＰＳ装置などの電装品に対して低振動、低騒音が強く求められている。

車室内の振動，騒音に繋がるモータ起因の加振源の１つに，モータによるトルクの変動成分（トルク脈動やコギングトルク）が挙げられ、モータの出力軸を介して，車室内へ伝搬する。これがハンドルの操舵感の悪化や、放射音として車室内で放射され騒音につながる。ＥＰＳ装置以外の電装品に関しても同様のメカニズムで車室内の騒音が発生する。

コギングトルクを低減する技術として、例えば特許文献１のように、回転子コアに設けた突起部に永久磁石を寄せて配置することで、回転子永久磁石の位置決め精度を向上させ、回転子側のばらつきに起因するコギングトルク成分を低減する方法が知られている。

ＷＯ２００９−６３６９６号公報 特開２０１３−６６３７０号公報

上述の特許文献１について、回転子の幾何学形状が左右非対称になるため、トルク脈動（通電時のトルク変動）が正転時と逆転時で異なり、操舵感が悪化するといった課題が生じる。加えて、突起部に磁石を寄せた結果生じる磁石の磁気中心位置からのずれの影響を低減するため、磁石形状を左右非対称としており、磁石の加工難易度が上がるといった課題もある。また、特許文献２については、永久磁石を回転子コアに設けた突起部に寄せる方向を正転側又は逆転側のいずれか一方でなく、正転側と逆転側に均等に振り分けることで、コギングトルクの悪化やトルク脈動左右差の発生を抑制している。しかし、正転側と逆転側に均等に振り分けた結果、回転子が作る磁束密度分布が正弦波から大きくずれるため、トルク脈動自体が悪化するといった課題が生じる。

本発明は、上記のような従来技術が抱える問題を解決するためになされたものであり、コギングトルクやトルク脈動の悪化を抑制し、トルク脈動の正転・逆転差を解消し、操舵感を向上させることを目的とする。

本発明に係る永久磁石同期モータは、複数の第１磁石を有する第１回転子と、前記第１回転子に対して回転軸方向に並べられかつ複数の第２磁石を有する第２回転子と、を備え、前記第１回転子は、前記複数の第１磁石のそれぞれを固定する複数の第１固定部を有し、前記第２回転子は、前記複数の第２磁石のそれぞれを固定する複数の第２固定部を有し、前記複数の第１磁石のそれぞれは、周方向における前記複数の第１固定部のそれぞれの一方面側に近づけて配置され、前記複数の第２磁石のそれぞれは、周方向における前記複数の第２固定部のそれぞれの面であって、前記一方面側とは反対側の他方面側に近づけて配置される。

本発明によれば、永久磁石同期モータのトルク脈動の正転・逆転差を解消し、操舵感を向上させることができる。

本実施形態に係る永久磁石同期モータの軸方向断面図である。 図１におけるＡ−Ａ断面で切断したときの第１回転子１の径方向断面とＢ−Ｂ断面で切断したときの第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。 第２の実施形態における永久磁石同期モータの、第１回転子１の径方向断面と第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。 第３の実施形態における永久磁石同期モータの、第１回転子１の径方向断面と第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。 第４の実施形態における永久磁石同期モータの、第１回転子１の径方向断面と第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。 第５の実施形態における永久磁石同期モータの軸方向断面図である。 比較例である従来技術の回転子の径方向断面図を示している。 比較例である従来技術のトルク波形の計算結果を示す図である。 従来技術の正転・逆転時のトルク脈動計算結果の図

以下、図面を用いて本発明に係る永久磁石同期モータを説明する。なお、以下の実施例におけるモータは、電動パワーステアリング装置をはじめ、その他の自動車用電動補機装置へも適用可能である。さらには、産業用のモータ全般にも適用可能である。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

（第１の実施形態）
図１及び図２を用いて、第１の実施例である永久磁石同期モータの構成を説明する。

図１は、本実施形態に係る永久磁石同期モータの軸方向断面図である。本実施形態の永久磁石同期モータは、単一の固定子２と、固定子２内に回転可能に配置されかつ軸方向に分割された第１回転子１及び第２回転子３と、第１回転子１及び第２回転子３を支持する駆動軸５と、固定子２を保持するフレーム６と、を備える。固定子２は、固定子鉄心と、固定子鉄心のティース部に巻回される固定子巻線と、を有する。図１においては、固定子巻線のコイルエンド部７が図示されている。

図２は、図１におけるＡ−Ａ断面で切断したときの第１回転子１の径方向断面とＢ−Ｂ断面で切断したときの第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。第１回転子１は、第１回転子鉄心５０の外周に貼り付けられた複数の第１永久磁石９を有する。また第２回転子３は、第２回転子鉄心５１の外周に貼り付けられた複数の第２永久磁石１４を有する。

図７は、比較例である従来技術の回転子の径方向断面図を示している。図７に示すように、従来技術では、第１回転子１の第１永久磁石９と第２回転子３の第２永久磁石１４を同じ方向側の固定部５１や固定部５２に寄せて配置している。

図８は、比較例である従来技術のトルク波形の計算結果を示しており、トルクには通電時の変動（トルク脈動）が存在している。実線の波形は、図７に示される第１永久磁石９及び第２永久磁石１４が固定部５１や固定部５２に近づけられることなく複数の固定部５１の中間又は複数の固定部５２の中間に配置された場合の結果を示す。

大きな点線の波形は、図７に示されるように、第１永久磁石９及び第２永久磁石１４がモータの回転方向１２（正転方向）に沿って固定部５１や固定部５２に近づけられた場合において、モータを正転方向に回転させた時の結果を示す。細かい点線の波形は、大きな点線の波形を計算した場合と同様の磁石の固定部への近付け方をした時に、モータが逆転方向（回転方向１２と逆向き）に回転した場合の結果を示す。

図９は、図８のトルク波形より求めたトルク脈動の値を示している。従来は、軸方向に回転子を分割する場合において、図７のように永久磁石を同一方向に寄せているため、図８及び図９に示すように、正転・逆転時のトルク波形やトルク脈動に差異が発生していた。

本実施形態においては、図２に図示されるように、第１回転子１は、回転子鉄心５０と、複数の第１永久磁石９と、第１永久磁石のそれぞれを固定する複数の第１固定部１０を形成する。そして複数の第１磁石１０のそれぞれは、周方向における複数の第１固定部１０のそれぞれの一方面１０ａ側に近づけて配置される。

一方、第２回転子３は、回転子鉄心５１と、複数の第２永久磁石１４と、第２永久磁石１４のそれぞれを固定する複数の第２固定部１５を形成する。そして複数の第２磁石１４のそれぞれは、周方向における複数の第２固定部１５のそれぞれの面であって、前記一方面１５ａ側とは 反対側の他方面１５ｂ側に近づけて配置される。

図２において、第１永久磁石９の寄せる方向と第２永久磁石１４の寄せる方向１１が、モータの回転方向１２に対して逆方向であるため、第１回転子１と第２回転子３の双方を１つの回転子と考えると、回転子において、回転子の幾何学形状に左右差が存在しないか低減されるため、モータの正転・逆転時に略同じトルク脈動が発生する。

さらに、第１回転子１と第２回転子３とで互いに逆方向に永久磁石を寄せることで、第１回転子１のコギングトルク/トルク脈動の変化分と第２回転子３のコギングトルク/トルク脈動の変化分が打ち消し合うため、コギングトルク・トルク脈動自体は悪化しない。

図１は、第１回転子１と第２回転子３が空間を隔てて軸方向に配置されているが、第１回転子１と第２回転子３とが接続されていても良いし、コギングトルクやトルク脈動低減のため、第１回転子１に対し第２回転子３が周方向に角度をずらして配置しても良い。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態における永久磁石同期モータの、第１回転子１の径方向断面と第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。

第１の実施形態では、表面磁石型同期モータについて述べてきたが、本実施形態のモータは、埋込磁石内蔵型同期モータである。第１永久磁石９は、回転子に設けられた挿入穴２０の周方向一方の内面側に近づけて配置される。

第２永久磁石１４は、回転子に設けられた挿入穴２１の、モータの回転方向１２に対して、第１永久磁石９が近づけられた側とは反対側の内面側に近づけて配置される。

本実施形態においても、第１回転子１と第２回転子３とで互いに逆方向１１に永久磁石を寄せることで、第１回転子１のコギングトルク/トルク脈動の変化分と第２回転子３のコギングトルク/トルク脈動の変化分が打ち消し合うため、コギングトルク・トルク脈動自体は悪化しない。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態における永久磁石同期モータの、第１回転子１の径方向断面と第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。

本実施形態のモータは、コンシクエントポール型の表面磁石型同期モータであり、第１永久磁石９の間に形成される疑似磁極２２を有する。第１回転子１の複数の第１永久磁石９は、第１固定部１０の一方面１０ａ側に近づけて配置される。一方、第２回転子３の複数の第２永久磁石１４は、第２固定部１５の一方面１５ａ側とは反対側の他方側１５ｂに近づけて配置される。第１固定部１０及び第２固定部１５は、疑似磁極と同じ材料でも良いし、違っていても良い。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態における永久磁石同期モータの、第１回転子１の径方向断面と第２固定子３の径方向断面を並べて示した図である。

本実施形態のモータは、コンシクエントポール型の埋め込み磁石内蔵型同期モータである。第１永久磁石９は、回転子に設けられた挿入穴２０であって周方向の一方の内面２０ａ側に近づけて配置される。第２永久磁石１４は、回転子に設けられた挿入穴２１であって周方向の一方の内面２０ａとは反対側の他方の内面２０ｂ側に近づけて配置される。

（第５の実施形態）
図６は、第５の実施形態における永久磁石同期モータの軸方向断面図である。本実施形態のモータは、第１の実施形態における回転子構造を、軸方向に複数の固定子を持つモータに適用したものである。

図６に示されるように、本実施形態のモータは、第１固定子２５内に回転可能に配置された第１回転子１を有する第１モータ部と、第２固定子２６内に回転可能に配置された第２回転子３を有する第２モータ部と、第１回転子１及び第２回転子３について共通に設けられる駆動軸５と、第１固定子２５を保持すると共に第２固定子２６を保持するフレーム６と、を備える。

第１固定子２５と第２固定子２６は、周方向に角度をずらして配置しても良い。また前記第１モータ部と前記第２モータ部とを周方向に角度をずらして配置しても良い。

なお、前述の実施形態のいずれかにおいて、第１固定部１０や第２固定部１５が、回転子鉄心とは異なる材料で形成されていてもよい。例えば、第１固定部１０や第２固定部１５を非磁性材料で形成することで、第１固定部１０や第２固定部１５への漏れ磁束を低減し、コギングトルクやトルク脈動の抑制効果が期待できる。

前述の実施形態では、図面上では回転子が８極のモータについて述べてきたが、任意の極数、スロット数の永久磁石同期モータに本技術は適用できる。また、固定子巻線は、集中巻でも分布巻でも良い。

前述の実施形態では、２つの回転子があるモータについて記載したが、さらに第３回転子、第４回転子など、複数の回転子がある場合についても、正転側固定部に磁石を寄せた回転子の数と、逆転側固定部に磁石を寄せた回転子の数を一致させれば、上記と同様の効果が得られる。ここで、回転子が奇数個ある場合、正転側又は逆転側に磁石を寄せた回転子の数が１つ余ることになるが、正転側固定部に磁石を寄せた回転子と、逆転側固定部に磁石を寄せた回転子のペアの数に比例したトルク脈動正転・逆転差の低減効果が得られる。

また前述の実施形態では、固定子内に回転可能に配置された回転子を有する、インナー回転子のモータについて述べてきたが、固定子外に回転可能に配置された回転子を有するアウター回転子のモータについても、第１回転子の磁石を寄せる方向と、第２回転子の磁石を寄せる方向を逆にすることにより、上記と同様の効果が得られる。

また前述の実施形態では、固定子と回転子が同軸上に対向して配置される、ラジアルギャップ型のモータについて述べてきたが、固定子と回転子とが軸方向に対向して配置される、アキシャルギャップ型のモータについても、第１回転子の磁石を寄せる方向と、第２回転子の磁石を寄せる方向を逆にすることにより、上記と同様の効果が得られる。

上記のモータは、単一のインバータで駆動させても良いし、複数のインバータで駆動させても良い。複数のインバータで駆動させた場合、１つのインバータが故障した際でも、残りのインバータでモータを駆動させることができ、緊急時のフェールセーフの観点から有効である。

１…第１回転子，２…固定子，３…第２回転子， ５…駆動軸，６…フレーム，７…コイル，９…第１永久磁石，１０…第１固定部，１１…磁石を寄せる方向，１２…モータの回転方向，１４…第２永久磁石，１５…第２固定部

Claims (11)

1. 複数の第１磁石を有する第１回転子と、
   前記第１回転子に対して回転軸方向に並べられかつ複数の第２磁石を有する第２回転子と、を備え、
   前記第１回転子は、前記複数の第１磁石のそれぞれを固定する複数の第１固定部を有し、
   前記第２回転子は、前記複数の第２磁石のそれぞれを固定する複数の第２固定部を有し、
   前記複数の第１磁石のそれぞれは、周方向における前記複数の第１固定部のそれぞれの一方面側に近づけて配置され、
   前記複数の第２磁石のそれぞれは、周方向における前記複数の第２固定部のそれぞれの面であって、前記一方面側とは反対側の他方面側に近づけて配置される永久磁石同期モータ。
2. 請求項1に記載の永久磁石同期モータであって、
   径方向の沿った方向において空隙を介して前記第１回転子及び前記第２回転子と対向する固定子を有する永久磁石同期モータ。
3. 請求項２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記第１回転子及び前記第２回転子は、前記固定子よりも前記回転軸に近い側に配置される永久磁石同期モータ。
4. 請求項２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記固定子は、前記第１回転子及び前記第２回転子よりも前記回転軸に近い側に配置される永久磁石同期モータ。
5. 請求項２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記第１回転子は、前記固定子と対向面に前記複数の第１磁石が配置され、
   前記第２回転子は、前記固定子と対向面に前記複数の第２磁石が配置される永久磁石同期モータ。
6. 請求項２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記第１回転子は、前記複数の第１磁石が収納される第１挿入穴が形成され、
   前記第２回転子は、前記複数の第２磁石が収納される第２挿入穴が形成される永久磁石同期モータ。
7. 請求項２に記載の永久磁石同期モータであって、
   前記第１回転子は、周方向であって前記第１固定部を挟んで前記第１磁石とは反対側に形成される第１疑似磁極が設けられ、
   前記第２回転子は、周方向であって前記第２固定部を挟んで前記第２磁石とは反対側に形成される第２疑似磁極が設けられる永久磁石同期モータ。
8. 請求項１ないし７に記載のいずれかの永久磁石同期モータであって、
   前記第１固定部と前記第２固定部は、非磁性材料で形成される永久磁石同期モータ。
9. 請求項１ないし８に記載のいずれかの永久磁石同期モータにおいて、
   前記第１回転子は、前記第２回転子に対して、前記第１磁石と前記第２磁石の位置が同一となる配置を基準として、当該基準から，周方向に角度をずらして配置される永久磁石同期モータ。
10. 請求項１ないし９に記載のいずれかの永久磁石同期モータにおいて、
    前記固定子は、第１固定子と、軸方向に沿って当該第１固定子と対向する第２固定子と、により構成される永久磁石同期モータ。
11. 請求項1に記載の永久磁石同期モータにおいて、
    軸方向の沿った方向において空隙を介して前記第１回転子及び前記第２回転子と対向する固定子を有する永久磁石同期モータ。

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