JP2019165591A - 固定子鉄心、固定子、固定子の製造方法、回転電機、電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子鉄心のティースの内周側の端部に流れる漏れ磁束を抑制する。【解決手段】固定子鉄心１１は、複数のティース１１ａ２が環状に配置されるとともに、隣接するティース１１ａ２同士が内周側先端部に設けられた薄肉連結部１１ａ１によって連結されたティース群１１ａと、ティース群１１ａが内部に配置される環状ヨーク部１１ｂとを備え、薄肉連結部１１ａ１は、板厚方向の厚さが他の部分より薄い凹み１１ａ６を有している。【選択図】図４Ａ

Description

この発明は、隣接するティース同士が互いに連結された固定子鉄心、および、それを用いた、固定子、固定子の製造方法、回転電機、電動パワーステアリング装置に関する。

回転電機の固定子として、固定子鉄心の内側に回転子を収納したインナーロータ型の固定子がある。インナーロータ型の固定子においては、界磁の外周側に電機子が配置されている。このようなインナーロータ型の固定子において、コイル周長を短くする目的等で、環状ヨークとティース群とを分割した構造を採用する場合がある。この場合、各ティースは、互いにばらばらにならないように、ティース同士が内周側端部で周方向に結合されて、１つのティース群として、一体形成されている。

そのような固定子の製造方法について説明する。まず、各ティースの間にスロットが設けられ、且つ、それらのティースが内周側端部で互いに結合されている、ティース群を作製する。次に、当該ティース群にコイルを巻回した後に、当該ティース群を軸方向から環状ヨーク部の内側に嵌め込む。このような工程により、固定子が製造される。

このようにして製造された固定子は、巻線占積率を高めるとともに、コイルエンドの経路を短くできるため、コイル周長を短くすることができる。

特許文献１は、従来のインナーロータ型の固定子鉄心の一例について記載している。特許文献１に記載の回転電機の固定子鉄心は、以下のようにして製造される。まず、一周分の複数のティースを一直線状に並べた状態で、鋼板をプレスにより打ち抜く。このようにして形成された一直線状に並べられた一周分の複数のティースを環状に折り曲げることにより、環状のティース群を製造する。

特許文献１では、各ティースの端部には、スロット側に湾曲する薄肉連結部と、直線切込部とが設けられている。隣接するティース同士は、該薄肉連結部で連結されている。また、複数のティースを環状に折り曲げたときに、隣接するティースの端部同士が、該直線切込部で密着する。

特開２０１１−１２５１７６号公報

上述したように、特許文献１の固定子鉄心は、隣接するティースの内周側の端部同士が薄肉連結部で連結されるとともに、直線切込部で密着する。そのため、結果的に、薄肉連結部と直線切込部の両方で隣接するティースの端部同士が接触するので、接触面積が大きい。その結果、ティースの内周側の端部に流れる漏れ磁束が増加し、回転電機の効率が低下するという課題があった。

この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、固定子鉄心のティースの内周側の端部に流れる漏れ磁束を抑制することが可能な、固定子鉄心、固定子、固定子の製造方法、回転電機、電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。

この発明に係る固定子鉄心は、複数のティースが環状に配置されるとともに、隣接する前記ティース同士が内周側先端部に設けられた薄肉連結部によって連結されたティース群と、前記ティース群が内部に配置される環状ヨーク部とを備え、前記ティース群は複数個、板厚方向に積層されており、前記薄肉連結部は、前記板厚方向の凹みを有している、固定子鉄心である。

この発明に係る固定子鉄心は、隣接するティース同士を薄肉連結部で連結するとともに、当該薄肉連結部に凹みを設けるようにしたので、隣接するティース間の薄肉連結部の断面積を小さくすることができる。そのため、薄肉連結部に流れる漏れ磁束が減少するので、固定子鉄心のティースの内周側の端部に流れる漏れ磁束を抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心の断面図である。 この発明の実施の形態１に係るティース群と環状ヨーク部の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る内周側から見たティース群の一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る内周側から見たティース群の他の例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るティース群が積層された状態を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心のティース群にコイルを装着した後、環状ヨーク部に嵌合する工程を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心のティース群にコイルを装着した後、環状ヨーク部に嵌合する工程を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心のティース群にコイルを装着した後、環状ヨーク部に嵌合する工程を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るコイルの一例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るコイルの他の例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機を駆動するコントロールユニット（ＥＣＵ）の概略を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る電動パワーステアリング装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る固定子の製造方法を示すフローチャートである。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心、固定子、固定子の製造方法、回転電機、電動パワーステアリング装置を、図を用いて説明する。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子は、永久磁石型回転子、突極型回転子などいずれの形態でも良い。但し、動作点に応じて駆動電圧振幅および周波数が可変のインバータ駆動の回転子であることを前提とする。以下では、永久磁石型回転子の場合を例に挙げて説明する。

また、以下の説明において、「径方向」「軸方向」「周方向」という場合、特に限定しない場合は、固定子の径方向、軸方向、周方向を指すことする。

図１は、本実施の形態１に係る回転電機１００の断面図である。図１に示す回転電機１００は、極数が８で、スロット数が４８の、三相永久磁石型の回転電機である。回転電機１００は、固定子１０と回転子２０とを備えて構成されている。

固定子１０は、固定子鉄心１１と固定子巻線１２とを備えて構成されている。固定子鉄心１１は、後述する図４Ｃに示されるように、薄肉の磁性体からなる鋼板が複数枚積層されて構成されている。ここで、薄肉の磁性体とは、電磁鋼板、冷間圧延鋼板、鋼帯（ＳＰＣＣ）などである。また、固定子巻線１２は、固定子鉄心１１に巻回されている。図１の例では、固定子巻線１２は、分布巻されている。

固定子１０は、鉄、アルミ、樹脂などで構成された固定用のフレーム（図示せず）に収容して構成しても良いし、フレームが設けられていないフレームレスで構成しても良い。

固定子巻線１２は、１群の三相巻線１２１と、２群の三相巻線１２２とを含む。固定子鉄心１１には複数のスロット１１ｃが形成されており、１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２とは、隣接するスロット１１ｃにそれぞれ配置される。従って、図１に示すように、１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２とは、図１に示すように、各スロット１１ｃに対して、交互に配置されている。１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２とは、ここでは図示による詳しい説明は省略するが、Ｕ相Ｖ相Ｗ相が電機角で１２０度のピッチで配置される。

次に、固定子鉄心１１について説明する。図２は、固定子鉄心１１の断面図である。固定子鉄心１１は、ティース群１１ａと環状ヨーク部１１ｂとスロット１１ｃとを備えて構成されている。ティース群１１ａは、環状ヨーク部１１ｂ内に嵌合されている。スロット１１ｃは、固定子巻線１２を収納する貫通孔である。

ティース群１１ａは、内周側に薄肉連結部１１ａ１と、薄肉連結部１１ａ１から放射状に外径方向に延設された複数のティース１１ａ２とを備えている。ここでは、ティース１１ａ２の個数は、スロット１１ｃの個数と同じ、４８個である。隣接するティース１１ａ２同士は、薄肉連結部１１ａ１を介して互いに連結されている。ティース１１ａ２と薄肉連結部１１ａ１とは、同一の鋼板から同時に打ち抜かれて、一体成型されている。このように、隣接するティース同士を薄肉連結部１１ａ１で連結するようにしたので、各ティース１１ａ２がばらばらになることを防止することができる。また、各ティース１１ａ２の外周側先端には、Ｖ字形状に突起した嵌合部１１ａ３が設けられている。

一方、環状ヨーク部１１ｂには、その内周面に、等間隔に、軸方向に延びたＶ字形状の溝部１１ｂ１が設けられている。溝部１１ｂ１は、その内部に嵌合部１１ａ３が嵌合できるように、嵌合部１１ａ３に対する相補形状を有している。

そこで、ティース群１１ａを環状ヨーク部１１ｂ内に配置する際には、各ティース１１ａ２の嵌合部１１ａ３は、環状ヨーク部１１ｂの溝部１１ｂ１内に嵌合される。なお、ティース１１ａ２の嵌合部１１ａ３が、環状ヨーク部１１ｂの溝部１１ｂ１に嵌合している接触部を、図１では、接触部１４として示している。

図３は、ティース群１１ａと環状ヨーク部１１ｂの一例を示す部分拡大図である。図３においては、ティース群１１ａの中の１つのティース１１ａ２のみを図示しているが、実際には、図３に示されるティース１１ａ２の両側に、隣接する別のティース１１ａ２が配置されている。

図３に示すように、ティース１１ａ２の内周側先端に、薄肉連結部１１ａ１と、シュー部１１ａ４とが設けられている。シュー部１１ａ４は、ティース１１ａ２の内周側の端部の両側から、周方向に、せり出すように配置されている。また、薄肉連結部１１ａ１は、シュー部１１ａ４の先端に設けられている。なお、薄肉連結部１１ａ１は、各ティース１１ａ２ごとに別々に形成されるものではない。パンチにより、すべてのティース１１ａ２が同時に電磁鋼板から打ち出されるため、各薄肉連結部１１ａ１もすべて同時に、ティース１１ａ２と同時に打ち抜かれ、ティース１１ａ２と一体成型される。一方、特許文献１の直線切込部は、打ち抜き後に連結させるものである。打ち抜き時には、一般的に、切り端に、バリ、ダレなどが発生するため、特許文献１では、直線切込部を連結させたときに、バリ、ダレなどが影響して、固定子鉄心の内周の真円度が低下するという問題点があった。これに対し、本実施の形態１に係る薄肉連結部１１ａ１の先端同士は、パンチによる打ち抜き後に連結させるものではなく、もともと一体であって連結されているため、特許文献１の直線切込部のようにバリ、ダレなどの影響を受けることはない。その結果、本実施の形態１では、固定子鉄心の内周の真円度が向上する。

薄肉連結部１１ａ１の径方向の厚さＭは、固定子鉄心の使用時に必要な強度を保ち、且つ、磁性体鋼板からの打ち抜きが可能な、最低限の厚さを有している。最低限の厚さを閾値とすると、厚さＭが閾値より薄い場合、薄肉連結部１１ａ１は十分な強度を有さないため、外部ストレスによって切断されてしまう可能性がある。また、図３の例においては、シュー部１１ａ４の径方向の厚さＬが、薄肉連結部１１ａ１の径方向の厚さＭよりも厚くなっている。しかしながら、これに限定されるものではなく、設計によっては、シュー部１１ａ４の径方向の厚さＬと、薄肉連結部１１ａ１の径方向の厚さＭとが同じであっても良い。また、シュー部１１ａ４の形状は、図３では矩形になっているが、扇形でもよい。あるいは、厚さＬは均一でなくてもよいため、例えば、ティース１１ａ２間の中間部から、隣接するティース１１ａ２に向かって径方向に厚くなっていく形状など、様々な形で形成して良い。また、シュー部１１ａ４部分で磁気飽和しないように、シュー部１１ａ４の形状を図３の厚さＬよりも径方向に厚く、かつ、隣接するティース１１ａ２に向かって、より径方向に厚くなるように形成しても良い。また、ティース１１ａ２の周方向の両側の側面同士が平行でも良いし、外周に向かって広くなるテーパー形状であっても良い。

次に、薄肉連結部１１ａ１について説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、内周側からティース群１１ａを見たときの薄肉連結部１１ａ１部分を示した拡大図である。図４Ａは、薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５の形状の一例を示している。また、図４Ｂは、薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５の形状の他の例を示している。また、図４Ｃは、積層されたティース群１１ａおよび積層された環状ヨーク部１１ｂから構成された固定子鉄心１１を示す斜視図である。図４Ａ〜図４Ｃに示されるように、複数枚のティース群１１ａおよび複数枚の環状ヨーク部１１ｂが積層されて、固定子鉄心１１が構成されている。積層されるティース群１１ａおよび環状ヨーク部１１ｂは、それぞれ、すべて同じ形状を有している。また、積層する枚数は、適宜決定してよい。

本実施の形態１では、図４Ａおよび図４ｂに示すように、ティース１１ａ２の薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５には、板厚方向の厚さが他の部分よりも薄い板圧方向の凹み１１ａ６が設けられている。凹み１１ａ６部分は、他の部分に比べて、板厚が薄く、断面積が小さいため、漏れ磁束が流れにくい。その結果、ティース１１ａ２に流れる漏れ磁束を低減できるので、回転電機１００の効率を向上できる。

なお、凹み１１ａ６の形状は、図４Ａに示すＲ形状であってもよく、図４Ｂに示すＶ字形状であって良い。図４Ａに示すＲ形状の凹み１１ａ６は、断面形状が、曲線から構成されており、具体的には、例えば円弧状になるように形成されている。一方、図４Ｂに示すＶ字形状の凹み１１ａ６は、断面形状が、直線から構成されており、具体的には、例えばＶ字状になるように形成されている。なお、凹み１１ａ６は、薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５をプレス金型内でつぶし加工することで形成される。従って、形成した凹み１１ａ６の形状に合わせた凸部を金型に設けておくことにより、形成したい任意の形状の凹み１１ａ６を容易に形成することができる。なお、ここでは、凹み１１ａ６を形成する箇所として、薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５、すなわち、連結された２つの薄肉連結部１１ａ１を全体として考えると、その中央部分として説明したが、その場合に限らず、中央部分からずれた位置に凹み１１ａ６を形成しても、漏れ磁束を低減することはできるため、特に問題はない。従って、凹み１１ａ６を形成する箇所は、薄肉連結部１１ａ１の一部であれば、いずれの箇所でもよい。

次に、固定子１０の製造方法について説明する。固定子１０は、図９のフローチャートに示すように、以下の各ステップにより製造される。
ステップＳ１：ティース群１１ａと環状ヨーク部１１ｂとを、磁性体から構成された電磁鋼板から打ち抜く。
ステップＳ２：ティース群１１ａのティース１１ａ２の薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５をプレス金型内でつぶし加工することで、先端１１ａ５に凹み１１ａ６を形成する。
ステップＳ３：複数枚のティース群１１ａを積層する。
ステップＳ４：積層されたティース群１１ａの各ティース１１ａ２に対して、固定子巻線１２を巻回す。
ステップＳ５：固定子巻線１２が巻回された状態の積層されたティース群１１ａを、環状ヨーク部１１ｂの内部に嵌合する。

以下、これらの各ステップの詳細について説明する。

まずはじめに、ステップＳ１における、ティース群１１ａおよび環状ヨーク部１１ｂを打ち抜く方法について説明する。ティース群１１ａおよび環状ヨーク部１１ｂは、磁性体からなる同一の電磁鋼板から、パンチによって、それぞれ打ち抜かれて形成される。詳細には、まず、電磁鋼板の平面上において、環状ヨーク部１１ｂになる部分の位置決めを行う。このとき、図１および図２から分かるように、環状ヨーク部１１ｂの内側の部分が、ティース群１１ａ部分となる。このようにして位置決めを行った後、パンチにより、環状ヨーク部１１ｂとティース群１１ａとを同時に打ち抜く。

次に、ステップＳ２について説明する。ステップＳ１で形成されたティース群１１ａの薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５をプレス金型内でつぶし加工することで、薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５に凹み１１ａ６を形成する。ただし、すべての薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５に凹み１１ａ６を設ける必要はなく、適宜、必要な箇所および必要な個数だけ、凹み１１ａ６を設けるようにしてもよい。

ステップＳ３では、ステップＳ２で凹み１１ａ６を形成したティース群１１ａを複数枚積層する。

次に、ステップＳ４およびステップＳ５について、図５Ａ〜図５Ｃを用いて説明する。図５Ａは、コイル１３の一端に設けられたスロット挿入部１３ａを、ティース群１１ａの各ティース１１ａ２間に設けられた各スロットの内周側に挿入している状態を示す図である。図５Ｂは、コイル１３をティース群１１ａに挿入した状態を示す図である。図５Ｃは、ティース群１１ａを環状ヨーク部１１ｂ内に嵌合した状態を示す図である。

まず、ステップＳ４では、図５Ａに示すように、積層された複数のティース群１１ａに対して、外周側から、固定子巻線１２を構成するコイル１３を挿入する。具体的には、各コイル１３の一端に設けられたスロット挿入部１３ａを、ティース群１１ａの各ティース１１ａ２間に設けられた各スロットの内周側に挿入する。これにより、ティース群１１ａには、図５Ｂに示すように、固定子巻線１２が巻回される。

次に、ステップＳ５では、図５Ｂの状態のティース群１１ａを、軸方向から、環状ヨーク部１１ｂ内に嵌合する。これにより、図５Ｃの状態となり、固定子１０が製造される。

次に、固定子巻線１２の構成について説明する。固定子巻線１２は、コイル１３から構成される。まず、コイル１３を各スロットに挿入する際には、事前に、コイル１３を折り曲げ加工しておく。例えば、後述する図６Ｂに示すように、巻線を複数ターン巻いて多角形状に形成したコイル１３を形成する。このような多角形状のコイル１３を、スロットの個数分である４８個作る。そして、図５Ａに示すように、４８個の各コイル１３の一端のスロット挿入部１３ａを、各スロットの内周側に同時に挿入する。図５Ａでは、１つのスロットに、コイル１３を２本挿入している。その後、図５Ａの矢印Ｚ方向に、ティース群１１ａを回転させながら、各コイル１３の他方のスロット挿入部１３ａを、複数のティース１１ａ２分だけ跨いだスロットに全て同時に挿入して固定子巻線１２を構成する。コイル１３は、複数のティース１１ａ２に跨り、２回巻回されている。なお、本実施の形態では、複数のティース１１ａ２を跨ぐ固定子巻線１２の形態を示したが、１つのティースに複数回巻き回すものでも良い。

次に、コイル１３の形態について、以下に説明する。図６Ａは、軸方向から見たコイル１３の一例を示す図である。図６Ｂは、コイル１３の他の一例を示す側面図である。コイル１３は、複数のティース１１ａ２を跨いで、順次、波巻きしても良い。あるいは、複数ターン巻いた多角形状のコイル１３を用いてもよい。多角形状の例としては、例えば、図６Ｂに示すような亀甲型が挙げられる。

コイル１３に使われる導体は、例えば、銅線、アルミ線などの導電率が高いものが望ましい。コイル１３の断面の形状は、丸状および角状のいずれでも良い。さらには、丸線を使用し、図６Ｂのスロット内導体部１３ｂ部分のみ丸線を潰して略角形状にし、コイルエンド部１３ｃは丸線のままとする、といった形態にしてもよい。その場合には、安価な銅線を用いて、鉄心内のコイルの占積率を高くすることができる。

次に、固定子１０の内部に挿入する回転子２０について説明する。図１に示すように、回転子２０は、複数のセグメント磁石２１と、磁路を確保するための回転子鉄心２２と、回転軸２３とを備えて構成されている。図１の回転電機１００は、上述したように、８極であるため、セグメント磁石２１は８個である。回転子鉄心２２は、回転軸２３を通す孔２５と、セグメント磁石２１を配設する面２６と、磁極間に位置する突起部２４とを有する。突起部２４は、セグメント磁石２１に対して、予め設定された間隔だけ離間して設けられることが望ましいが、セグメント磁石２１の周方向の位置決めを行う部材として、例えば、回転子２０の軸方向両端に、セグメント磁石２１と接する突起部を別途設けても良い。

回転子鉄心２２は、薄肉の磁性体鋼板を軸方向に複数枚積層して構成されている。ここで、薄肉の磁性体とは、電磁鋼板、冷間圧延鋼板、鋼帯（ＳＰＣＣ）などである。回転子鉄心２２を構成する複数の磁性体鋼板は、すべて同じ形状でもよいし、互いに異なる形状でもよい。異なる形状を有する複数の突起部を備えた回転子鉄心の場合は、それぞれ別に打ち抜かれた磁性体鋼板を後から合わせて積層しても良いし、打ち抜き金型に可動機構を設けて連続して打ち抜いた磁性体鋼板を積層しても良い。

次に、上記の回転子鉄心２２の外周面に配置されるセグメント磁石２１について説明する。セグメント磁石２１に使われる材料は、磁力の大きさによってさまざまである。磁石の種類としては、希土類焼結磁石、フェライト焼結磁石、あるいは、希土類材料などで良く、あるいは、フェライト材料と樹脂とを混練させてなるボンド磁石のいずれでも良い。また、セグメント磁石２１の形状は、外周面および内周面ともに曲面状である波型、外周面が曲面状で内周面が平面状のかまぼこ型、あるいは、外周面および内周面ともに平面状である平板型のいずれでも良い。回転子鉄心２２のセグメント磁石２１を配設する面２６の形状は、セグメント磁石２１の内周側の形状に応じて決定される。

図７は、回転電機１００を駆動するコントロールユニット（ＥＣＵ）４０の概略を示す図である。図７に示すように、回転電機１００には、ＥＣＵ４０が接続されている。ＥＣＵ４０は、インバータ４２１，４２２と、ノイズ除去用のコイル４０１と、電源リレー４１１，４１２とを備えて構成されている。

回転電機１００は、図１を用いて上述したように、１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２とからなる固定子巻線１２を備えている。回転電機１００には、さらに、回転電機１００の回転子２０の回転角度を検出する回転角度センサ４０３が設けられている。

固定子巻線１２は、リード線等を介してインバータ４２１，４２２に接続される。一般的に、１台のインバータに対し、１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２とが直列あるいは並列で接続されるが、ここでは、各群の三相巻線１２１，１２２ごとに、別々のインバータ４２１，４２２に接続させて駆動させる形態について説明する。すなわち、１群の三相巻線１２１はインバータ４２１に接続され、２群の三相巻線１２１はインバータ４２２に接続されている。

以下、ＥＣＵ４０の内のインバータ４２１，４２２のパワー回路部のみを詳細に説明する。ＥＣＵ４０は、２台のインバータ４２１，４２２を備えて構成されている。各インバータ４２１，４２２は、１群の三相巻線１２１および２群の三相巻線１２２に対して、それぞれ、三相の電流を供給する。図７の例では、各群の三相巻線１２１，１２２がＹ結線で接続されているが、その場合に限定されずに、Δ結線でも良い。ＥＣＵ４０には、バッテリーなどの電源４０２から直流電源が供給される。電源４０２は、ノイズ除去用のコイル４０１を介して、電源リレー４１１、４１２に接続されている。なお、図７の例では、電源４０２がＥＣＵ４０の内部にあるかのように示されているが、実際には、電源４０２はＥＣＵ４０の外部に設けられており、ＥＣＵ４０は、外部の電源４０２からコネクタを介して電力が供給される。

各電源リレー４１１，４１２は、それぞれ、２個のＭＯＳ−ＦＥＴで構成されている。故障時などは電源リレー４１１あるいは４１２を開放して、過大な電流が流れないようにする。なお、図７の例では、電源４０２、コイル４０１、電源リレー４１１，４１２の順に接続されているが、電源リレー４１１，４１２は、コイル４０１よりも電源４０２に近い位置に設けられても良いことは言うまでもない。

また、インバータ４２１，４２２には、コンデンサ４３１，４３２が設けられている。コンデンサ４３１，４３２は、平滑コンデンサである。図７の例では、コンデンサ４３１，４３２が、それぞれ、１個のコンデンサで構成されているが、その場合に限らず、複数のコンデンサを並列に接続してコンデンサ４３１，４３２を構成しても良いことは言うまでもない。

１群のインバータ４２１と２群のインバータ４２２とは、それぞれ、６個のＭＯＳ−ＦＥＴを用いたブリッジで構成されている。

１群のインバータ４２１では、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４１とＭＯＳ−ＦＥＴ４４２とが直列接続され、また、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４３とＭＯＳ−ＦＥＴ４４４とが直列接続され、また、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４５とＭＯＳ−ＦＥＴ４４６とが直列接続されて、さらに、これらの３つのＭＯＳ−ＦＥＴの直列体が、互いに並列に接続されている。

さらに、下側の３つのＭＯＳ−ＦＥＴ４４２、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４４、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４６のＧＮＤ（グランド）側には、それぞれ、シャント抵抗４５１，４５２，４５３が１つずつ接続されている。これらのシャント抵抗４５１，４５２，４５３は、電流値の検出に用いられる。なお、シャント抵抗は３個の例を示したが、２個のシャント抵抗であっても良いし、１個のシャント抵抗であってもよく、いずれの場合も、電流検出は可能であるため、いずれの構成であっても良いことは言うまでもない。

永久磁石型の回転電機１００への電流は、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４１とＭＯＳ−ＦＥＴ４４２との間からバスバーなどを通じて回転電機１００の１群の三相巻線１２１を構成するＵ１相へ供給され、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４３とＭＯＳ−ＦＥＴ４４４との間からバスバーなどを通じて回転電機１００の同Ｖ１相へ供給され、ＭＯＳ−ＦＥＴ４４５とＭＯＳ−ＦＥＴ４４６との間からバスバーなどを通じて回転電機１００の同Ｗ１相へ供給される。

第２群のインバータ４２２も同様の構成となっている。第２群のインバータ４２２では、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６１とＭＯＳ−ＦＥＴ４６２とが直列接続され、また、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６３とＭＯＳ−ＦＥＴ４６４とが直列接続され、また、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６５とＭＯＳ−ＦＥＴ４６６とが直列接続されて、さらに、これらの３つのＭＯＳ−ＦＥＴの直列体が、互いに並列に接続されている。

さらに、下側の３つのＭＯＳ−ＦＥＴ４６２、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６４、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６６のＧＮＤ（グランド）側には、それぞれ、シャント抵抗４７１，４７２，４７３が１つずつ接続されている。これらのシャント抵抗４７１，４７２，４７３は、電流値の検出に用いられる。なお、シャント抵抗は３個の例を示したが、２個のシャント抵抗であっても良いし、１個のシャント抵抗であってもよく、いずれの場合も、電流検出は可能であるため、いずれの構成であっても良いことは言うまでもない。

回転電機１００への電流は、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６１とＭＯＳ−ＦＥＴ４６２との間からバスバーなどを通じて回転電機１００の２群の三相巻線１２２を構成するＵ２相へ供給され、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６３とＭＯＳ−ＦＥＴ４６４との間からバスバーなどを通じて回転電機１００の同Ｖ２相へ供給され、ＭＯＳ−ＦＥＴ４６５とＭＯＳ−ＦＥＴ４６６との間からバスバーなどを通じて回転電機１００の同Ｗ２相へ供給される。

２台のインバータ４２１，４２２の動作について説明する。永久磁石型の回転電機１００に備えられた回転角度センサ４０３によって検出した回転角度に応じて、制御回路（図示しない）から、インバータ４２１および４２２に設けられた各ＭＯＳ−ＦＥＴ４４１〜４４６および４６１〜４６６に信号が送信される。当該信号に従って、各ＭＯＳ−ＦＥＴ４４１〜４４６および４６１〜４６６がスイッチングし、それにより、１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２に所望の相電流が供給される。なお、回転角度センサ４０３には、レゾルバ、ホールセンサ、ＧＭＲセンサ、ＭＲセンサなどが用いられる。また、制御回路は、プロセッサとメモリとを備えて構成されている。制御回路を構成する各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、または、それらの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリに格納される。プロセッサは、メモリに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御回路の各機能を実現する。

図８は、本実施の形態１に係る回転電機１００によってアシストトルクを発生させるようにした電動パワーステアリング装置１５０を示す図である。電動パワーステアリング装置１５０は、自動車などの車両に搭載されて用いられる。

車両の運転手は、ステアリングホイール５０を左右に回転させて前輪５１の操舵を行う。トルク検出部１５１は、運転者がステアリングホイール５０を回転させることにより舵軸６０に与えられるステアリング系の操舵トルクを検出して、検出トルクを電圧制御部１５２に出力する。電圧制御部１５２は、検出トルクに基づいて、操舵トルクを補助するための補助トルクを回転電機１００が発生するように電圧指令を演算し、電圧印加部１５３に出力する。電圧印加部１５３は、当該電圧指令に基づいて回転電機１００に電圧を印加する。その結果、回転電機１００は、ギア１５４を介して、ステアリングホイール５０に接合された舵軸６０に対して、操舵トルクを補助するための補助トルクを付加する。

なお、図８の電圧制御部１５２および電圧印加部１５３は、例えば、図７に示したＥＣＵ４０から構成される。また、トルク検出部１５１は、トルクセンサから構成される。

この発明の実施の形態１に係る固定子鉄心、固定子、固定子の製造方法、回転電機、電動パワーステアリング装置によれば、以下のような効果を奏する。上述したように、本実施の形態１においては、薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５に、板厚方向に凹んだ凹み１１ａ６を設けている。これにより、ティース１１ａ２に流れる漏れ磁束を低減し、回転電機１００の効率を向上できる。

また、電磁鋼板の平面上に環状ヨーク部１１ｂが配置されるとともに、その内側にティース群１１ａが配置されるように、環状ヨーク部１１ｂおよび環状のティース群１１ａがプレスにより打ち抜かれる。一方、上述した特許文献１では、一直線状に配置された複数のティースを環状に折り曲げていた。また、特許文献１の固定子鉄心においては、鋼板をプレスで打ち抜く際に、直線切込部に、せん断によるバリ、ダレ等が発生する。そのため、複数のティースを折り曲げて、隣接するティースの端部同士を直線切込部で密着させたときに、バリ、ダレ等の影響を受けて、内周の真円度が低下してしまうという課題があった。これに対し、本実施の形態１では、環状に並んだ複数のティースを打ち抜くため、薄肉連結部１１ａ１も、元々、ティース１１ａ２と一体成型されている。そのため、上述した特許文献１におけるように、打ち抜き後に連結させるものではないため、隣接するティース同士の連結部分において、バリ、ダレ等の影響を受けることはない。そのため、上述した特許文献１に比べて、ティース群１１ａの内径真円度が向上する。

また、パンチによって打ち抜かれたティース群１１ａの薄肉連結部１１ａ１の先端１１ａ５をプレス金型内でつぶし加工することで、薄肉連結部１１ａ１の先端に凹み１１ａ６を形成するため、磁束が通りにくくなるので、漏れ磁束を低減し、回転電機１００の効率を向上できる。

また、固定子鉄心１１をティース群１１ａと環状ヨーク部１１ｂとに分割することで、コイル１３を外周側から挿入することができるので、スロット形状が台形の固定子鉄心、あるいは、鉄心内周側にシューが設けられている固定子鉄心においても、高い占積率でコイルを配置することができ、低磁気抵抗化により回転電機の出力トルクの増加や発熱の低減が見込める。

また、上述のような固定子１０の構成は、どのような形態の固定子（集中巻きあるいは分布巻き）であっても効果を発揮できるが、特に、分布巻の固定子１０に対して、セグメント磁石２１と突起部２４とを持つ回転子鉄心２２を設けるようにしたので、リラクタンストルクを得やすく、マグネットトルクとリラクタンストルクの双方を活用して、高トルク、高出力化、小型化、低コスト化を図ることができる。

次に、永久磁石型の回転電機１００およびＥＣＵ４０の構成による効果について説明する。１群のインバータ４２１と２群のインバータ４２２によって、１群の三相巻線１２１と２群の三相巻線１２２に３相の電流が流れるが、各群の電流の位相差を電気角２０〜４０度、望ましくは電気角３０度とするとトルクリップルの６次成分（電気角３６０度周期の成分を１次とした）が大幅に低減される。これは、電気角３６０度周期の成分を１次としたとき、回転子２０側が発生する起磁力高調波に５次成分または７次成分が含まれていたとしても、各群の三相巻線の電流の位相を変化させることで、電機子側の起磁力波形の５次成分または７次成分がなくなるか、あるいは、非常に小さくできるためである。この位相差は永久磁石型の回転電機１００の駆動状態に応じて変化させても良いし、たとえば電気角３０度で固定しても良い。また、位相差を電気角３０度としたときは、巻線係数が等価的に向上し、トルクも向上するために、少ない磁石使用量で大きなトルクを得ることができ、回転電機１００の低コスト化に寄与できるという効果がある。

また、回転子鉄心２２に突起部２４を設けることで、セグメント磁石２１によるマグネットトルクだけではなく、回転子２０の突極性を利用したリラクタンストルクを得ることができる。磁極の中心を通るｄ軸および極間を通るｑ軸それぞれのインダクタンスの差が大きいほど、トルクをより大きく得られる。図１に示すように、磁性体による突起部２４を張り出させることで、ｑ軸のインダクタンスを大きくすることができる。

本実施の形態１に係る、１群および２群の三相巻線１２１、１２２にそれぞれインバータ４２１，４２２を接続した回転電機１００を備えた電動パワーステアリング装置１５０によれば、回転電機１００のトルク脈動やコギングトルクが低減するので、ハンドルを操舵したときに感じる脈動を小さくしてドライバーの操舵フィーリングを向上させる、あるいは、操舵中の音を小さくすることができる。また、回転電機１００の振動が低下するので車室に伝わる音を低減することができ、車室の静粛性を向上できる。また、回転電機１００のトルクが向上するので、電動パワーステアリング装置１５０を小型化および軽量化できる、あるいは、端当て操舵時などに必要な定格トルク、緊急回避時などに必要な高回転トルクなどを向上させることができる。

なお、この発明は、こ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ることが可能なことは言うまでもなく、また、各実施の形態の各構成要素を、適宜、変形または省略することが可能である。

１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１１ａ ティース群、１１ａ１ 薄肉連結部、１１ａ２ ティース、１１ａ３ 勘合部、１１ａ４ シュー部、１１ａ５ 先端、１１ａ６ 凹み、１１ｂ 環状ヨーク部、１１ｂ１ 溝部、１１ｃ スロット、１２ 固定子巻線、１３ コイル、１３ａ スロット挿入部、１３ｂ スロット内導体部、１３ｃ コイルエンド部、１４ 接触部、２０ 回転子、２１ セグメント磁石、２２ 回転子鉄心、２３ 回転軸、２４ 突起部、２５ 孔、２６ 面、４０ ＥＣＵ、５０ ステアリングホイール、５１ 前輪、６０ 舵軸、１００ 回転電機、１２１ １群の三相巻線、１２２ ２群の三相巻線、１５０ 電動パワーステアリング装置、１５１ トルク検出部、１５２ 電圧制御部、１５３ 電圧印加部、１５４ ギア、４０１ コイル、４０２ 電源、４０３ 回転角度センサ、４１１ 電源リレー、４１２ 電源リレー、４２１ １群のインバータ、４２２ ２群のインバータ、４３１ コンデンサ、４３２ コンデンサ、４４１ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４４２ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４４３ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４４４ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４４５ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４４６ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４５１ シャント抵抗、４５２ シャント抵抗、４５３ シャント抵抗、４６１ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４６２ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４６３ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４６４ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４６５ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４６６ ＭＯＳ−ＦＥＴ、４７１ シャント抵抗、４７２ シャント抵抗、４７３ シャント抵抗。

Claims (8)

1. 複数のティースが環状に配置されるとともに、隣接する前記ティース同士が内周側先端部に設けられた薄肉連結部によって連結されたティース群と、
   前記ティース群が内部に配置される環状ヨーク部と
   を備え、
   前記ティース群は複数個、板厚方向に積層されており、
   前記薄肉連結部は、前記板厚方向の凹みを有している、
   固定子鉄心。
2. 前記凹みの断面形状は、曲線から構成されている、
   請求項１に記載の固定子鉄心。
3. 前記凹みの断面形状は、直線から構成されている、
   請求項１に記載の固定子鉄心。
4. 請求項１から３までのいずれか１項に記載の固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に巻回される固定子巻線と
   を備えた、固定子。
5. 請求項４に記載の固定子と、
   前記固定子の内部に配置される回転子と
   を備えた、回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機と、
   車両の運転者のステアリングホイールの操作によって、前記ステアリングホイールに連結された舵軸に与えられた操舵トルクを検出するトルク検出部と、
   前記トルク検出部で検出された前記操舵トルクに基づいて、前記操舵トルクを補助する補助トルクを前記回転電機が発生するように電圧指令を演算する電圧制御部と、
   前記電圧指令に基づいて、前記回転電機に電圧を印加する電圧印加部と
   を備え、
   前記回転電機は、印加される前記電圧により駆動されて、前記舵軸に対して前記操舵トルクを補助する前記補助トルクを付加する、
   電動パワーステアリング装置。
7. 複数のティースが環状に配置されるとともに隣接する前記ティース同士が内周側先端部に設けられた薄肉連結部によって連結されたティース群と、前記ティース群が内部に配置される環状ヨーク部とを、磁性体から構成された鋼板からそれぞれ打ち抜くステップと、
   前記薄肉連結部に、板厚方向の凹みを形成するステップと、
   複数個の前記ティース群を積層するステップと、
   積層された前記ティース群の各ティースに対して固定子巻線を巻回すステップと、
   前記固定子巻線が巻回された状態の積層された前記複数個の前記ティース群を、環状ヨーク部の内部に嵌合するステップと
   を備えた固定子の製造方法。
8. 前記凹みを形成するステップは、前記薄肉連結部の一部分をプレス金型内でつぶし加工することで、前記凹みを形成する、
   請求項７に記載の固定子の製造方法。

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