JP2018074767A - 永久磁石同期モータ - Google Patents

Abstract

【課題】磁石の接着性を確保しつつ、コギングトルクやトルク脈動を低減し、操舵感を向上させることを目的とする。【解決手段】本発明に係る永久磁石同期モータは、ロータコアと、前記ロータコアに配置された磁石と、を備え、前記磁石は、当該磁石の磁気中心ら離れるほど当該磁石の厚みが小さくなるように形成され、前記ロータコアは、当該ロータコアの径方向において当該ロータコアと前記磁石との間に設けられる磁気的な空隙が前記磁石の磁気中心から離れるほど大きくなるように形成される。【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、コギングトルクをモータによるアシストトルクの0.1％程度に、トルク脈動をアシストトルクの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間の悪化や、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、円弧状磁石の表面磁石式同期モータにおいて、磁石とロータコアが磁気中心付近で密着し、磁極境界付近で隙間を設ける技術が開示されている。この技術により、磁極境界付近のギャップ磁束密度を低減させ、ギャップ磁束密度を正弦波に近づけることができるため、なめらかな回転力を得ることができる。

上述の特許文献１について、磁石とロータコアとの間に空隙があり、磁石とロータコアとの接触面積が減少するため、磁石の接着性が悪化する。また、特許文献１について、周方向に磁石厚さが一定であるため、ステータとロータとの間のギャップ磁束密度が矩形波に近く、コギングトルク・トルク脈動が大きく、操舵感が悪化するといった課題が生じる。

特開２００１−８３９２号公報

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、磁石の接着性を確保しつつ、コギングトルクやトルク脈動を低減し、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、ロータコアと、前記ロータコアに配置された磁石と、を備え、前記磁石は、当該磁石の磁気中心ら離れるほど当該磁石の厚みが小さくなるように形成され、前記ロータコアは、当該ロータコアの径方向において当該ロータコアと前記磁石との間に設けられる磁気的な空隙が前記磁石の磁気中心から離れるほど大きくなるように形成される。

本発明によれば、永久磁石同期モータの磁石接着性を確保しつつ、コギングトルクやトルク脈動を低減し、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ロータ２の径方向断面を示した図である。 図１におけるＡ−Ａ断面で切断したときのロータ２の径方向断面を示した図であって、磁気的な空隙８の他の実施形態を示す。 第２の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。 第２の実施形態における永久磁石同期モータの、第１ロータ１３の径方向断面と第２ロータ１６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径方向断面を示した図である。 第４の実施形態における永久磁石同期モータの径方向断面を示した図である。 第５の実施形態における永久磁石同期モータの径方向断面を示した図である。 比較例のロータの径方向断面図である。 比較例と実施例１のコギングトルクの計算結果を示す。 比較例と実施例１のトルク脈動の計算結果を示す。

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、図２及び図３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、ステータ１と、ステータ１内に回転可能に配置されたロータ２と、駆動軸６と、固定子１を保持するフレーム７と、を備える。

ロータ２は、ロータコア３と、ロータコア３に貼り付けられた複数の永久磁石４、とを有する。ステータ１は、ステータコアと、ステータコア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５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ロータ２の径方向断面を示した図である。ロータ２は、ロータコア３と、複数の永久磁石４と、を備える。

複数の永久磁石４は、この永久磁石４の磁気中心９から離れるほど永久磁石４の厚みが小さくなるように形成される。これにより、磁石厚み一定の場合よりも、ステータとロータとの間のギャップ磁束密度が正弦波に近づき、コギングトルクとトルク脈動が低減する。

ロータコア３は、径方向においてロータコア３と永久磁石４との間に、磁気的な空隙８を設ける。磁気的な空隙８は、永久磁石４の磁気中心９から離れるほど大きくなるように形成される。この磁気的な空隙８は、隣接する永久磁石４の内径側底面であって隣接する磁気中心９を結ぶ平面１０の外径側を通る主磁束の、少なくとも一部をさえぎるように設けられる。さらに磁気的な空隙８は、永久磁石４とロータコア３との間のブリッジ１１を介して、磁極境界１２と重なる位置に形成される。これにより、磁極境界１２付近のギャップ磁束密度を低減させ、ギャップ磁束密度をさらに正弦波に近づけることができる。ここで、磁石中央厚みを増加させ磁石の曲率半径を小さくすると、ギャップ磁束密度は正弦波に近づくが、磁石使用量が増加する。磁気的な空隙を設けることで、磁石中央厚みを大きく増加させることなく、ギャップ磁束密度を正弦波に近づけることができる。

図３は、図１におけるＡ−Ａ断面で切断したときのロータ２の径方向断面を示した図であって、磁気的な空隙８の他の実施形態を示す。

磁気的な空隙８は、周方向に２分割して配置してもよい。具体的には、磁極境界１２と重なる部分に、ブリッジを形成する。２分割して配置することで、磁極境界１２付近のロータコアの機械強度を高めることができる。

図９は、比較例のロータの径方向断面図である。比較例では、磁気的な空隙８が、図２や図３のように設けられていない。図１０は、比較例と実施例１のコギングトルクの計算結果を示す。図１１は、比較例と実施例１のトルク脈動の計算結果を示す。これらの結果は，磁界解析によるシミュレーションを用いて計算したものである。図１０と図１１より、従来例よりも実施例１の方が、コギングトルク・トルク脈動が低下していることを確認できる。

（第２の実施形態）
図４及び図５を用いて、第２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４は、第２の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のロータは、軸方向に２分割され、第１ロータコア１４と第１永久磁石１５からなる第１ロータ１３と、第２ロータコア１７と第２永久磁石１８からなる第２ロータ１６、とを有する。第１ロータ１３に対して、第２ロータ１６は、周方向に回転配置(スキュー)される。

図５は、第２の実施形態における永久磁石同期モータの、第１ロータ１３の径方向断面(図４のＡ−Ａ断面で切断した時)と第２ロータ１６の径方向断面(図４のＢ−Ｂ断面で切断した時)を並べて示した図である。

第２ロータ１６は、第１ロータ１３に対し、１９で示される方向にスキューされる。第１ロータ１３の磁気的な空隙２０と第２ロータ１６の磁気的な空隙２１の位置関係は、前述のスキューされた関係である。

第１ロータ１３で発生するコギングトルク波形と、第２ロータ１６で発生するコギングトルク波形との、位相差を電気角で１８０度となるスキューに設定することで、コギングトルクをさらに低減することができる。

なお、上記の第１及び第２の実施形態において、磁気的な空隙８は、単純な空気(空間)で形成するか、樹脂などの非磁性材料を充填させれば良い。

また、上記の第１及び第２の実施形態において、ブリッジ１１をロータコア３とは異なる材料で形成してもよい。例として、ブリッジを非磁性材料で形成することで、磁石の接着面積を確保しつつブリッジへの漏れ磁束を低減し、コギングトルクやトルク脈動のさらなる低減効果が期待できる。

また、上記の第１及び第２の実施形態において、磁石回り留め５０をロータコア３とは異なる材料で形成してもよい。例として、磁石回り留めを非磁性材料で形成することで、磁石回り留めへの漏れ磁束を低減し、コギングトルクやトルク脈動のさらなる低減効果が期待できる。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態における永久磁石同期モータの径方向断面を示した図である。上記の実施例では、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に本技術を適用したものである。表面磁石型同期モータと比べて、埋込磁石内蔵型同期モータは、磁石トルクだけでなくリラクタンストルクも利用できるため、高出力化できる。

（第４の実施形態）
図７は、第４の実施形態における永久磁石同期モータの径方向断面を示した図である。本実施形態のモータは、コンシクエントポール型永久磁石同期モータに本技術を適用したものである。ロータ２は、ロータコア３と、複数の永久磁石４と、永久磁石４間に形成される軟磁性材からなる複数の疑似磁極２２を有する。表面磁石型同期モータと比べて、コンシクエントポール型永久磁石同期モータは、ロータ磁極が、軟磁性材料からなる疑似磁極と磁石とで構成されるため、使用磁石量を少なくできる。

（第５の実施形態）
図８は、第５の実施形態における永久磁石同期モータの径方向断面を示した図である。本実施形態のモータは、ポールピース型永久磁石同期モータに本技術を適用したものである。ロータ２は、ロータコア３と、複数の永久磁石４と、永久磁石の外径側に軟磁性材料からなる複数のポールピース２４を有する。ポールピース型永久磁石同期モータは、外径が円弧状のポールピースを用いることで、矩形に近い磁石を使用し磁石量を削減した場合でも、ギャップ磁束密度を正弦波に近づけコギングトルクやトルク脈動の増加を抑制できる。

上記の実施形態では、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。

上記の実施形態では、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。

上記の実施例では、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、永久磁石は、磁石の磁気中心ら離れるほど磁石の厚みが小さくなるように形成され、ロータコアは、径方向においてロータコアと磁石との間に設けられる磁気的な空隙が磁石の磁気中心から離れるほど大きくなるように形成される。この磁気的な空隙は、磁石の内径側底面の隣接磁気中心間を結ぶ平面の外径側を通る主磁束の、少なくとも一部をさえぎるように設けられ、永久磁石とロータコアとの間のブリッジを介して、磁極境界付近に形成されることで、上記と同様の効果が得られる。

上記のモータは、同一のインバータで駆動させても良いし、別のインバータで駆動させても良い。別のインバータで駆動させた場合、片方のインバータが故障した際でも、もう片方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。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定される
ものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ステータ、２…ロータ、３…ロータコア、４…永久磁石、４ａ…磁気中心、５…コイルエンド部、６…駆動軸、７…フレーム、８…空隙、９…磁気中心、１０…平面、１１…ブリッジ、１２…磁極境界、１３…第１ロータ、１４…第１ロータコア、１５…第１永久磁石、１６…第２ロータ、１７…第２ロータコア、１８…第２永久磁石、１９…ロータをスキューさせる方向、２０…第１ロータ１３の磁気的な空隙、 ２１…第２ロータ１６の磁気的な空隙、 ２２…疑似磁極、２３…平面、２４…ポールピース、５０…磁石回り留め

Claims (5)

1. ロータコアと、前記ロータコアに配置された複数の永久磁石と、を備えた永久磁石同期モータにおいて、
   前記永久磁石は、当該永久磁石の磁気中心から離れるほど当該永久磁石の厚みが小さくなるように形成され、
   前記ロータコアは、当該ロータコアの径方向において当該ロータコアと前記永久磁石との間に設けられる磁気的な空隙が前記磁石の磁気中心から離れるほど大きくなるように形成される永久磁石同期モータ。
2. 請求項１記載の永久磁石同期モータにおいて、
   前記磁気的な空隙は、隣り合う前記永久磁石の内径側底面の磁気中心を結ぶ平面の外径側を通る主磁束の一部をさえぎるように設けられ、
   前記永久磁石と前記ロータコアとの間のブリッジを介して、前記ロータコアの磁極境界に形成される永久磁石同期モータ。
3. 請求項１ないし２記載のいずれかの永久磁石同期モータにおいて、
   前記ブリッジは、非磁性材料で形成される永久磁石同期モータ。
4. 請求項１ないし３記載のいずれかの永久磁石同期モータにおいて、
   前記ロータコアと前記磁石とが、軸方向に２段以上に分割され、周方向にスキューされて配置される永久磁石同期モータ。
5. 請求項１ないし４記載の永久磁石同期モータを搭載した電動パワーステアリング装置、電動ブレーキ装置などの自動車用電動補機装置。

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