JP2023005548A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】無通電時のコギングトルクを低減するとともに通電時のトルクリプルを低減可能な回転電機を提供する。【解決手段】ステータコア３１は、円環の外縁をなすバックヨーク部４１から径内方向に延伸する本体部４２、及び、本体部４２の先端において本体部４２から周方向両側に突出する鍔部４３を有するティース４０１が周方向に複数設けられている。ティース４０１は、本体部４２の先端面に、回転軸方向の一端から他端にわたってバックヨーク部４１側に凹む複数の凹溝４４１、４４２が形成されている。周方向に隣接する凹溝４４１、４４２の間に対応する位置に、非磁性材料または空間で構成され、隣接する凹溝４４１、４４２の間の磁路である流入磁路４６を通る磁束を低減する一つ以上の磁束低減部４５が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、永久磁石式の回転電機において、ステータコアのティース形状に変更を加えることで無通電時のコギングトルクを低減する技術が知られている。

例えば特許文献１に開示された永久磁石形モータは、ティースの先端部に、１つのティースにつき２個の疑似スロットが設けられている。疑似スロットを設けることで、スロットの空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域が高次にシフトする効果があると記載されている。

特開２００２－１３６００１号公報

特許文献１のモータは、疑似スロットを設けたことにより無通電時のコギングトルクを低減可能である反面、通電時の磁束歪が悪化し、トルクリプルが大きくなるという問題がある。例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用した場合、低～中アシストトルク領域でのトルクリプルが増加し、ドライバの操舵フィーリングを悪化させるおそれがある。

本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、無通電時のコギングトルクを低減するとともに通電時のトルクリプルを低減可能な回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、ステータ（３０）と、ロータ（５０）とが回転軸（Ｏ）に対して同軸に配置されている。ステータは、環状のステータコア（３１）に巻線（３５）が巻回されてなる。ロータは、円筒状のロータコア（５１）の外周に沿って複数の磁石（５５）が取り付けられてなり、巻線への通電により生成される回転磁界によりステータの内側で回転する。

ステータコアは、円環の外縁をなすバックヨーク部（４１）から径内方向に延伸する本体部（４２）、及び、本体部の先端において本体部から周方向両側に突出する鍔部（４３）を有するティース（４０１－４０４）が周方向に複数設けられている。

ティースは、本体部の先端面に、回転軸方向の一端から他端にわたってバックヨーク部側に凹む複数の凹溝（４４１、４４２、４４５－４４８）が形成されている。複数の凹溝は、回転軸に対して平行に形成されてもよく、回転軸に対して傾斜していてもよい。

周方向に隣接する凹溝の間に対応する位置に、非磁性材料または空間で構成され、隣接する凹溝の間の磁路である流入磁路（４６、４６１－４６３）を通る磁束を低減する一つ以上の磁束低減部（４５、４５５－４５８）が設けられている。磁束低減部を構成する「非磁性材料」には、樹脂やアルミニウム等の非磁性金属が含まれる。「空間」には、板厚方向に貫通する空孔や板厚を局所的に薄くした窪み等が含まれる。

本発明では、特許文献１の従来技術と同様に、凹溝を有することで無通電時のコギングトルクが低減される。また、凹溝により通電時に流入磁路を通る磁束が歪むが、磁束低減部が流入磁路の磁気抵抗を増加させ、流入磁路を通る磁束を低減することで、通電時のトルクリプルを低減することができる。よって、例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用した場合、低～中アシストトルク領域でのトルクリプルを低減し、ドライバの操舵フィーリングを向上させることができる。

各実施形態のモータ（回転電機）の径方向断面図。 第１実施形態によるティースの平面図。 第１実施形態によるティース先端面の、図２のＩＩＩ方向矢視図。 （ａ）第１実施形態、（ｂ）第１実施形態の変形例によるティースの、図２のＩＶ－ＩＶ線断面図。 磁束低減部の形状及び凹溝間角度を説明するティース先端部の拡大図。 磁路の幅の関係を説明するティース先端部の拡大図。 （ａ）比較例Ａ、（ｂ）比較例Ｂのティース先端部の図。 第１実施形態と比較例との線電流に対するトルクリプル特性を比較した図。 第１実施形態と比較例との（ａ）無通電時（図８のａ部）のコギングトルク、（ｂ）通電時（図８のｂ部）のトルクリプルを比較した図。 第２実施形態によるティースの平面図。 第３実施形態によるティース先端部の拡大図。 第４実施形態によるティース先端部の拡大図。 第５実施形態によるステータコアのティース段スキュー構造の図。 第６実施形態によるステータコアのティースリニアスキュー構造の図。 第７実施形態によるステータコアの凹溝段スキュー構造の図。 第８実施形態によるステータコアの凹溝リニアスキュー構造の図。 第９実施形態によるロータコアの磁石段スキュー構造の図。 第１０実施形態によるロータコアの磁石リニアスキュー構造の図。

以下、本発明による回転電機の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。第１～第１０実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態の回転電機は永久磁石式の３相ブラシレスモータであり、例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用される。操舵アシストモータでは、ドライバの操舵フィーリングの悪化を防ぐため、出力トルクの脈動（以下「トルクリプル」）の低減が求められる。

図１を参照し、モータ１０の径方向断面構成について説明する。図１では、ステータコア及びロータコアについて、断面ハッチングを省略する。モータ１０は、ステータ３０とロータ５０とが回転軸Ｏに対して同軸に配置されている。以下の明細書中、回転軸Ｏは各部の位置関係の基準となる。「回転軸方向」は図１の紙面に直交する方向を意味する。周方向の間隔やずれを示す角度は、回転軸Ｏを中心とする角度で表される。

ステータ３０は、筒状のハウジング２０に収容された環状のステータコア３１に３相の巻線３５が巻回されてなる。ロータ５０は、円筒状のロータコア５１の外周に沿って複数（本実施形態では８個）の磁石５５が取り付けられてなる。磁石５５は永久磁石である。図１には、磁石５５がロータコア５１に埋め込まれたＩＰＭ構造を示すが、磁石５５がロータコア５１の表面に設置されたＳＰＭ構造であってもよい。

ロータ５０は、巻線３５への通電により生成される回転磁界によりステータ３０の内側で回転する。ロータ５０の中心に固定されたシャフト５９は、軸方向の両端が図示しない軸受により支持されている。モータ１０のトルクは、シャフト５９の一端から伝達機構を介して負荷に出力される。

ステータコア３１及びロータコア５１は鉄製である。ステータコア３１及びロータコア５１は、複数枚の電磁鋼板等の薄板が軸方向に積層されてもよく、一体に形成されてもよい。

図１に例示するステータコア３１は、円環の外縁をなすバックヨーク部４１が周方向に１２分割された分割ステータコアで構成されている。ただし、バックヨーク部が全周にわたって一体に形成された環状ステータコアの構成であってもよい。ステータコア３１は、ティース４０１が周方向に複数（本実施形態では１２個）設けられている。図１には代表として第１実施形態のティース４０１の形状を記す。

ティース４０１は、本体部４２及び鍔部４３を有する。本体部４２は、バックヨーク部４１から径内方向に延伸する。鍔部４３は、本体部４２の先端において本体部４２から周方向両側に突出する。本体部４２の先端面は、ロータ５０の外周面に対向し、磁石５５の磁束が流入する。周方向に隣接するティース４０１の本体部４２同士の間の空間は、巻線３５が収容されるスロットをなす。スロットの径方向範囲は、外側がバックヨーク部４１により規制され、内側が鍔部４３により規制される。スロットの数はティース４０１の数に等しく、本実施形態では１２個である。

ここで、ロータ５０の磁石５５の数（言い換えれば磁極数）をＰ、ステータ３０のティース数（言い換えればスロット数）をＳで表す。本実施形態では、磁石数Ｐが８であり、ティース数Ｓが１２であるため、「８Ｐ１２Ｓ」と表される。磁石数Ｐとティース数Ｓとの最小公倍数をｋとすると、この構成での最小公倍数ｋは２４となる。つまり、ロータ５０が一回転する間に、いずれかの磁石５５がいずれかのティース４０１の先端面の中心に正対するときが２４回ある。そのため、無通電時のコギングトルクについて機械角２４次の成分が顕著に現れる。

従来、特許文献１（特開２００２－１３６００１号公報）には、コギングトルクの低減を目的として、ティース先端面に疑似スロットを設けた構成が開示されている。この従来技術では、疑似スロットにより無通電時のコギングトルクを低減可能である反面、通電時の磁束歪が悪化し、トルクリプルが大きくなるという問題がある。

そこで本実施形態では、無通電時のコギングトルクを低減するとともに通電時のトルクリプルを低減可能な回転電機を提供することを目的とする。そのために、主にステータコア３１のティースに特有の構成を設ける。以下、各実施形態のティース等の構成について順に説明する。各実施形態のティースの符号は、「４０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。

（第１実施形態）
図２～図９を参照し、第１実施形態の構成及び作用効果について説明する。図２に示すように、１２分割されたステータコア３１は、バックヨーク部４１の周方向両端の中心角が３０°である。回転軸Ｏに直交する各断面において、ティース４０１は、回転軸Ｏを通る対称軸Ｖに対して対称に形成されている。三次元で表せば、ティース４０１は、回転軸Ｏを含む仮想平面に対して対称に形成されている。図３には、薄板積層構造で形成されたティース４０１の先端面を示す。

本体部４２の先端面には、バックヨーク４１部側に凹む二つの凹溝４４１、４４２が形成されている。凹溝４４１、４４２は、特許文献１の疑似スロットに相当する。第１実施形態では、二つの凹溝４４１、４４２は、ティース４０１の対称軸Ｖに対して対称に配置され、且つ平行に形成されている。したがって、二つの凹溝４４１、４４２は、対称軸Ｖを挟んで配置されている。また、図３に示すように、第１実施形態の凹溝４４１、４４２は、回転軸方向の一端から他端にわたって、回転軸Ｏに平行に形成されている。なお、二つの凹溝４４１、４４２が周方向に隣接することは自明である。

本体部４２の先端面に沿って二つの凹溝４４１、４４２の間に形成される磁路を流入磁路４６と定義する。ロータ５０の磁石５５がティース４０１の先端面の中心に正対したとき、磁石５５の磁束が主に流入磁路４６を通って本体部４２へ流入する。また、対称軸Ｖから離れた側の凹溝４４１、４４２の角と鍔部４３の周方向端部との間の磁路を外側流入磁路４９と定義する。ロータ５０の磁石５５がティース４０１の先端面の中心に正対する位置、すなわちコギングトルクのピークとなる位置から少し外れた位置で、磁石５５の磁束が外側流入磁路４９を通って本体部４２へ流入する。

凹溝４４１、４４２の間に対応する位置には、流入磁路４６を通る磁束を低減する一つの磁束低減部４５が設けられている。この例では「凹溝４４１、４４２の間に対応する位置」とは、凹溝４４１、４４２をそれぞれバックヨーク部４１側に延長した部位の周方向の間の位置である。第１実施形態では、一つの磁束低減部４５は、ティース４０１の対称軸Ｖに対して対称に配置されている。したがって、一つの磁束低減部４５は、中心が対称軸Ｖ上に位置するように配置されている。

図４（ａ）に示すように、第１実施形態の磁束低減部４５は、板厚方向に貫通する「空孔」で形成されている。或いは図４（ｂ）に示す変形例のように、磁束低減部４５は、かしめやつぶし等の工法で板厚を局所的に薄くした「窪み」で形成されてもよい。空孔や窪みは「空間」の用語で包括される。透磁率が小さい空気が収容された空間は、磁束低減部４５として機能する。また、「その他の実施形態」の欄で後述するように、空孔や窪みに樹脂やアルミニウム等の非磁性材料を埋め込むことで磁束低減部４５を構成してもよい。

このように、本実施形態のモータ１０は、特許文献１の従来技術と同様に凹溝４４１、４４２を有することで無通電時のコギングトルクが低減される。また、凹溝４４１、４４２により通電時に流入磁路４６を通る磁束が歪むが、磁束低減部４５が流入磁路４６の磁気抵抗を増加させ、流入磁路４６を通る磁束を低減することで、通電時のトルクリプルを低減することができる。

第１実施形態のティース４０１は、二つの凹溝４４１、４４２と一つの磁束低減部４５とを有することで、シンプルな構成を実現できる。また、凹溝４４１、４４２及び磁束低減部４５は、ティース４０１の対称軸Ｖに対して対称に配置されているため、回転方向によるトルクリプル等の特性差がなくなる。さらに凹溝４４１、４４２は、ティース４０１の対称軸Ｖに平行に形成されているため、製造が容易である。

図５、図６を参照し、凹溝４４１、４４２及び磁束低減部４５のより好ましい形状等について説明する。図５に示すように、磁束低減部４５は、ティース４０１の周方向における長さＤａがティース４０１の径方向における長さＤｂよりも長い長円形状に形成されている。ティース４０１が磁気飽和しにくくする観点から、磁束低減部４５の面積を最小とし、鉄製の本体部４２をできるだけ大きく確保することが好ましい。

また、ティース４０１の周方向における長さＤａが長いほど、流入磁路４６からバックヨーク部４１に向かう磁束は、磁束低減部４５の正面から両サイドへ迂回することとなり、磁気抵抗が大きくなる。したがって、ティース４０１の周方向における長さＤａを径方向における長さＤｂよりも長くすることで、総磁束量の低下を最小に抑えつつ、流入磁路４６を通る磁束をより制限し、通電時のトルクリプルをより低減することができる。

また、二つの凹溝４４１、４４２の周方向の中心同士の、回転軸Ｏを中心とする角度を凹溝間角度θｇと記す。ティース４０１の数が１２であり、一つのティース４０１の中心角が３０°である構成において、凹溝間角度θｇは、「７°＜θｇ＜９°」となるように構成されている。これにより、トルクリプル低減効果が最も高くなる。

図６に示すように、流入磁路４６から磁束低減部４５の両側を経由してバックヨーク部４１に向かう二つの磁路を第１流出磁路４７１及び第２流出磁路４７２とする。第１流出磁路４７１の幅Ｇ１及び第１流出磁路４７１の幅Ｇ２の合計（Ｇ１＋Ｇ２）は、流入磁路４６の幅Ｆよりも小さくなるように構成されている。これにより、流入磁路４６を通る磁束が、第１流出磁路４７１及び第２流出磁路４７２を通る磁束の合計以下に制限される。したがって、通電時のトルクリプルをより低減することができる。

また、流入磁路４６の幅Ｆは、外側流入磁路４９の幅Ｅよりも短く形成されている。ここで、ティース４０１は対称軸Ｖに対して対称であるため、両方の外側流入磁路４９の幅Ｅは等しい。磁束低減部４５が有ることでロータ５０の磁石５５からステータ３０への総磁束量が減るため、モータ出力が低下する。仮に流入磁路４６の幅Ｆを外側流入磁路４９の幅Ｅよりも長くすると、流入磁路４６を通る磁束を減らすために磁束低減部４５を大きくする必要があり、モータ出力が大きく低下する。しかし、流入磁路４６の幅Ｆを外側流入磁路４９の幅Ｅよりも短くすることで、磁束低減部４５の効果が及ぶ部位が流入磁路４６のみに集中する。これにより、モータ出力の低下を抑えつつ、通電時のトルクリプルを低減することができる。

次に図７～図９を参照し、第１実施形態の効果の検証結果について、二通りの比較例のティースと対比しつつ説明する。図７（ａ）に示す比較例Ａのティース４０９ａは、本体部４２の先端に凹溝が無い。図７（ｂ）に示す比較例Ｂのティース４０９ｂは、本体部４２の先端に二つの凹溝４４１、４４２が有るが、磁束低減部が設けられていない。比較例Ｂは、特許文献１に開示された従来技術に相当する。

図８に、モータ１０の線電流（実効値）に対するトルクリプル特性を示す。横軸及び縦軸における０以外の数値の記載を省略する。電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータにおいて、線電流が境界値Ｉｘ未満の領域は低～中アシストトルク領域に相当し、線電流が境界値Ｉｘ以上の領域は高アシストトルク領域に相当する。第１実施形態及び比較例Ａでは、線電流の増加に連れてトルクリプルはほぼ単調増加し、高アシストトルク領域で最大となる。一方、比較例Ｂでは、低～中アシストトルク領域内でトルクリプルが最大となる。比較例Ｂのトルクリプル最大値は、高アシストトルク領域での第１実施形態及び比較例Ａのトルクリプル最大値よりも大きい。

図９（ａ）に、無通電時（図８のａ部）のコギングトルクを示す。図９（ｂ）に、低～中アシストトルク領域での通電時（図８のｂ部）のトルクリプルを示す。縦軸における０以外の数値の記載を省略する。各波形の正のピークから負のピークまでの差分がコギングトルク及びトルクリプルである。１２スロットの３相モータでは、電気角３６０°は機械角９０°に相当する。したがって、横軸の一目盛である電気角６次成分の周期６０°は、機械角２４次成分の周期１５°に相当する。

図９（ａ）に示すように、凹溝の無い比較例Ａでは２４次のコギングトルクが大きいのに対し、凹溝４４１、４４２を有する比較例Ｂでは２４次のコギングトルクが低減されている。さらに第１実施形態では、比較例Ｂに比べても２４次のコギングトルクが小さい。このように第１実施形態では、凹溝４４１、４４２の効果により無通電時のコギングトルクが低減することが検証された。

図９（ｂ）に示すように、比較例Ｂでは、凹溝４４１、４４２により通電時に磁束歪が悪化するため、２４次のトルクリプルが大きくなる。これに対し第１実施形態では、比較例Ａと同程度に２４次のコギングトルクが小さい。このように第１実施形態では、磁束低減部４５の効果により通電時のトルクリプルが低減することが検証された。よって、第１実施形態の構成を電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用した場合、低～中アシストトルク領域でのトルクリプルを低減し、ドライバの操舵フィーリングを向上させることができる。

ところで、特開２０１５－１９２５９２号公報に開示されたブラシレスモータは、ティースの内周先端部に空孔が形成されており、ティースの内周先端側ツバ部に切り欠きが形成されている。これにより、高アシストトルク、低コギングトルクおよび低トルク脈動、弱め界磁域を含む広い範囲の回転数領域におけるモータの低振動化を同時に達成できると記載されている。しかし、この構成では切り欠きがティース本体部の両側面にあるため、先端ツバ部に作用する径方向電磁吸引力に対する繰り返し疲労強度が低いという問題がある。それに対し第１実施形態では、本体部４２の線端面に凹溝４４１、４４２が形成されているため、繰り返し疲労強度が高くなる。

（第２実施形態）
図１０を参照し、第２実施形態のティース４０２の構成について説明する。第２実施形態では、二つの凹溝４４１、４４２はティース４０２の対称軸Ｖに平行ではなく、回転軸Ｏを中心として放射状に形成されている。図１０ではわかりやすいように、凹溝４４１、４４２の深さを深く表す。これにより、図６における磁束低減部４５及び流出磁路４７１、４７２の寸法を維持しつつ、流入磁路４６の幅Ｆがより小さくなる。したがって、流入磁路４６を通る磁束をより制限し、通電時のトルクリプルをより低減することができる。

（第３実施形態）
図１１を参照し、第３実施形態のティース４０３の構成について説明する。第３実施形態では、ティース４０３の周方向における磁束低減部４５の長さＤａは、流入磁路４６の幅Ｆよりも長く形成されている。これにより、流入磁路４６からバックヨーク部４１に向かう磁束は、破線矢印Φで示すように磁束低減部４５の正面から両サイドへ大きく迂回するため、磁気抵抗が大きくなる。したがって、流入磁路４６を通る磁束をより制限し、通電時のトルクリプルをより低減することができる。

（第４実施形態）
ティースに形成される凹溝の数、及び、設けられる磁束低減部の数は、第１～第３実施形態の構成に限らない。つまり、二つ以上の凹溝と、周方向に隣接する凹溝の間の流入磁路に対応してそれぞれ一つ以上設けられた合計二つ以上の磁束低減部と、をティースが有する構成としてもよい。図１２を参照し、凹溝及び磁束低減部の数が異なる第４実施形態のティース４０４の構成について説明する。第４実施形態のティース４０４は、四つの凹溝４４５－４４８と四つの磁束低減部４５５－４５８とを有する。

ティース４０４の先端部には、周方向の一方（図１２の左方）から他方（同右方）に向かって順に、第１凹溝４４５、第２凹溝４４６、第３凹溝４４７及び第４凹溝４４８が、対称軸Ｖに対して対称に形成されている。対称軸Ｖに近い第２凹溝４４６及び第３凹溝４４７は相対的に溝が深く、対称軸Ｖから遠い第１凹溝４４５及び第４凹溝４４８は相対的に溝が浅い。

第１磁束低減部４５５は、第１凹溝４４５と第２凹溝４４６との間の第１流入磁路４６１に対応して設けられている。第２磁束低減部４５６及び第３磁束低減部４５７は、第２凹溝４４６と第３凹溝４４７との間の第２流入磁路４６２に対応して設けられている。第４磁束低減部４５８は、第３凹溝４４７と第４凹溝４４８との間の第３流入磁路４６３に対応して設けられている。第２磁束低減部４５６及び第３磁束低減部４５７は相対的に大きな円形である。第１磁束低減部４５５及び第４磁束低減部４５８は相対的に小さな円形である。

第１流入磁路４６１から第１磁束低減部４５５の両側を経由してバックヨーク部４１に向かう磁路を第１流出磁路４８１及び第２流出磁路４８２とする。第２流入磁路４６２から第２磁束低減部４５６の第２凹溝４４６側、第２磁束低減部４５６と第３磁束低減部４５７との間、及び、第３磁束低減部４５７の第３凹溝４４７側を経由してバックヨーク部４１に向かう磁路を、それぞれ、第３流出磁路４８３、第４流出磁路４８４及び第５流出磁路４８５とする。第３流入磁路４６３から第４磁束低減部４５８の両側を経由してバックヨーク部４１に向かう磁路を第６流出磁路４８６及び第２流出磁路４８７とする。

第１、第２、第３流入磁路４６１、４６２、４６３の幅をそれぞれＦ１、Ｆ２、Ｆ３とする。第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７流出磁路４８１、４８２、４８３、４８４、４８５、４８６、４８７の幅をそれぞれＨ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４、Ｈ５、Ｈ６、Ｈ７とする。七つの流出磁路４８１－４８７の幅の合計（Ｈ１＋Ｈ２＋Ｈ３＋Ｈ４＋Ｈ５＋Ｈ６＋Ｈ７）が三つの流入磁路４６１－４６３の幅の合計（Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３）よりも小さくなるように構成されている。その作用効果は、第１実施形態に準ずる。

第４実施形態においても第２実施形態と同様に、四つの凹溝４４５－４４８が放射状に形成されてもよい。また、凹溝や磁束低減部の数や配置は、要求特性や製造しやすさ等に応じて適宜設定されてよい。

［スキュー構造］
図１３～図１８に、コギングトルクの低減を目的としてスキュー構造が採用された第５～第１０実施形態を示す。一般にスキュー構造では、ステータ３０とロータ５０との間の磁気抵抗が回転軸方向の位置に応じて順にずれるように捩れた構造とする。第５～第１０の各実施形態では、ティース全体、ティースの凹溝のみ、又は、ロータの磁石のうちいずれかがスキュー構造となっている。なお、スキュー構造の実施形態でのみ用いられるステータコア、ティース又はロータコアの符号については、特許請求の範囲での参照符号としての記載を省略する。

スキュー構造には、段スキュー構造とリニアスキュー構造とが含まれる。段スキュー構造では、磁気抵抗の周方向分布が段階的に所定方向にずれるように複数段が積層される。段スキュー構造の段数をｎ（ｎ≧２）で表す。図１３、図１５、図１７には、３段（ｎ＝３）の例を示す。また本明細書では、段スキュー構造のステータコアをなす一段の単位を「サブステータコア」と称する。同様に、段スキュー構造のロータコアをなす一段の単位を「サブロータコア」と称する。リニアスキュー構造では、回転軸方向の一端から他端にわたって、磁気抵抗の周方向分布が連続的にずれるように構成されている。なお、図１３～図１８では、図３、図４に示すような薄板積層構造の図示を省略する。

各実施形態ではロータ５０の磁石数Ｐが８、ティース数Ｓが１２である８Ｐ１２Ｓ構成を想定し、少なくとも、８と１２との最小公倍数ｋに相当する２４次成分のコギングトルクの低減を狙う。なお、２４次成分以外に８次成分や１２次成分の低減をあわせて狙ってもよい。一般化すると、各実施形態では、少なくとも、ロータ５０の磁石数Ｐとティース数Ｓとの最小公倍数に相当するｋ次成分のコギングトルクの低減を目的とする。ｋ次成分のコギングトルクを最小にする理論角度は、後述の計算式で算出される。

ただし、スキュー角度を大きくするほど通電時の出力トルクが低下するという背反がある。そこで、各実施形態のスキュー角度は、ｋ次成分のコギングトルクを最小にする理論角度を超えないように、「０より大きく、理論角度以下」の範囲になるように構成されることが好ましい。なお、「０より大きく」の部分は自明であるため、適宜省略する。各実施形態では、凹溝４４１、４４２による効果との組み合わせによりコギングトルクが適切に低減される。

（第５、第６実施形態）
図１３、図１４を参照し、第５、第６実施形態について説明する。第５、第６実施形態では、ステータコアのティース全体がスキュー構造で構成されている。図１３に示す第５実施形態は複数段（例では３段）の段スキュー構造である。図１４に示す第６実施形態はリニアスキュー構造である。

第５実施形態のステータコア３１５は、凹溝４４１、４４２が回転軸Ｏに平行に延びたサブステータコア３１５１、３１５２、３１５３が３段積層されている。各段のティース４０５は対称軸Ｖに対して対称に形成されており、第１実施形態のティース４０１の構成に準ずる。各段のティース４０５における凹溝４４１、４４２の位置は一定であり、各段の位置に応じて、凹溝４４１、４４２の周方向位置が所定方向にずれている。

隣接する段の凹溝４４１、４４２同士の、回転軸Ｏを中心とする凹溝段スキュー角度θｓｄは、下式の範囲となるように構成されている。図１３には、二つの凹溝４４１、４４２の中間位置に角度指示線を記す。
０＜θｓｄ≦３６０°÷ｋ÷ｎ

２４次成分のコギングトルクを低減対象とする場合の凹溝段スキュー角度θｓｄは、３段スキュー構造では５°以下となる。なお、２段スキュー構造では凹溝段スキュー角度θｓｄは、７．５°以下となる。

第６実施形態のステータコア３１５は、ティース４０６の凹溝４４１、４４２が回転軸Ｏに対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっている。回転軸Ｏ側から視たティース４０６の先端面の形状は平行四辺形を呈している。

この場合、三次元形状として、ティース４０６はある平面に対して対称でない。しかし、回転軸Ｏに直交する各断面において、ティース４０６は、回転軸Ｏを通る対称軸Ｖに対して対称に形成されている。また、凹溝４４１、４４２及び磁束低減部４５は、回転軸Ｏに直交する各断面において、ティース４０６の対称軸Ｖに対して対称に配置されている。回転軸Ｏに直交する各断面において、第１実施形態と同様に、流入磁路４６の幅Ｆは、外側流入磁路４９の幅Ｅよりも短く形成されている。

凹溝４４１、４４２の一端と他端との、回転軸Ｏを中心とする凹溝リニアスキュー角度θｓＬは、下式の範囲となるように構成されている。図１４には、二つの凹溝４４１、４４２の中間位置に角度指示線を記す。
０＜θｓＬ≦３６０°÷ｋ

２４次成分のコギングトルクを低減対象とする場合の凹溝リニアスキュー角度θｓＬは１５°以下となる。

（第７、第８実施形態）
図１５、図１６を参照し、第７、第８実施形態について説明する。第７、第８実施形態では、ステータコアのティース先端部の凹溝４４１、４４２のみがスキュー構造で構成されている。図１５に示す第７実施形態は複数段（例では３段）の段スキュー構造である。図１６に示す第８実施形態はリニアスキュー構造である。

第７実施形態のステータコア３１７は、凹溝４４１、４４２が回転軸Ｏに平行に延びたサブステータコア３１７１、３１７２、３１７３が３段積層されている。各段のティース４０７１、４０７２、４０７３の全体は周方向の同じ位置に配置されており、各ティース４０７１、４０７２、４０７３における凹溝４４１、４４２の位置のみがずれている。よって、各段の位置に応じて、凹溝４４１、４４２の周方向位置が所定方向にずれている。

隣接する段の凹溝４４１、４４２同士の、回転軸Ｏを中心とする凹溝段スキュー角度θｓｄは、第５実施形態と同様に、下式の範囲となるように構成されている。図１５には、二つの凹溝４４１、４４２の中間位置に角度指示線を記す。
０＜θｓｄ≦３６０°÷ｋ÷ｎ

第８実施形態のステータコア３１８は、ティース４０８の凹溝４４１、４４２が回転軸Ｏに対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっている。ティース４０８自体はスキュー形状ではなく、回転軸Ｏ側から視て長方形を呈している。

凹溝４４１、４４２の一端と他端との、回転軸Ｏを中心とする凹溝リニアスキュー角度θｓＬは、第６実施形態と同様に、下式の範囲となるように構成されている。図１６には、二つの凹溝４４１、４４２の中間位置に角度指示線を記す。
０＜θｓＬ≦３６０°÷ｋ

（第９、第１０実施形態）
ロータ５０の外周面を径外側から視た部分展開図である図１７、図１８を参照し、第９、第１０実施形態について説明する。第９、第１０実施形態では、ロータコアの磁石がスキュー構造で構成されている。図１７に示す第９実施形態は複数段（例では３段）の段スキュー構造である。図１８に示す第１０実施形態はリニアスキュー構造である。

第９実施形態のロータコア５１９は、磁石５５が回転軸Ｏに平行に延びたサブロータコア５１９１、５１９２、５１９３が３段積層されている。各段の位置に応じて、磁石５５の周方向位置が所定方向にずれている。隣接する段の磁石５５同士の、回転軸Ｏを中心とする磁石段スキュー角度ψｓｄは、下式の範囲となるように構成されている。段スキュー角度の例は、第５、第７実施形態と同様である。
０＜ψｓｄ≦３６０°÷ｋ÷ｎ

第１０実施形態のロータコア５２０は、磁石５５が回転軸Ｏに対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっている。磁石５５の一端と他端との、回転軸Ｏを中心とする磁石リニアスキュー角度ψｓＬは、下式の範囲となるように構成されている。リニアスキュー角度の例は、第６、第８実施形態と同様である。
０＜ψｓＬ≦３６０°÷ｋ

（その他の実施形態）
（ａ）ロータ５０の磁石数Ｐ、及び、ステータ３０のティース数Ｓは、上記実施形態の８Ｐ１２Ｓの他、４Ｐ６Ｓ、６Ｐ９Ｓ等の「２：３」の組み合わせでもよい。また、１０Ｐ１２Ｓ等、「２：３」以外の組み合わせでもよい。

（ｂ）磁束低減部４５の形状は、長円や円に限らず、どのような形状であってもよい。また、磁束低減部４５は、空孔や窪み等の空間に限らず、鉄に比べて透磁率が小さい非磁性材料で構成されてもよい。非磁性材料には、樹脂やアルミニウム等の非磁性金属が含まれる。例えば空孔や窪みに埋め込まれた非磁性材料で磁束低減部４５を構成することで、流入磁路４６を通る磁束低減の効果がより高まる。

（ｃ）本発明の回転電機は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに限らず、コギングトルクやトルクリプルの低減が求められる、どのような用途のモータ或いはジェネレータとして使用されてもよい。

以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０ ・・・モータ（回転電機）、
３０ ・・・ステータ、 ３１ ・・・ステータコア、 ３５ ・・・巻線、
４０１－４０４・・・ティース、
４１ ・・・バックヨーク部、 ４２ ・・・本体部、 ４３ ・・・鍔部、
４４１、４４２、４４５－４４８・・・凹溝、
４５、４５５－４５８・・・磁束低減部、
４６、４６１－４６３・・・流入磁路、
５０ ・・・ロータ、 ５１ ・・・ロータコア、 ５５ ・・・磁石。

Claims (16)

1. 環状のステータコア（３１）に巻線（３５）が巻回されてなるステータ（３０）と、円筒状のロータコア（５１）の外周に沿って複数の磁石（５５）が取り付けられてなり、前記巻線への通電により生成される回転磁界により前記ステータの内側で回転するロータ（５０）とが回転軸（Ｏ）に対して同軸に配置された回転電機であって、
   前記ステータコアは、円環の外縁をなすバックヨーク部（４１）から径内方向に延伸する本体部（４２）、及び、前記本体部の先端において前記本体部から周方向両側に突出する鍔部（４３）を有するティース（４０１－４０４）が周方向に複数設けられており、
   前記ティースは、
   前記本体部の先端面に、前記回転軸方向の一端から他端にわたって前記バックヨーク部側に凹む複数の凹溝（４４１、４４２、４４５－４４８）が形成されており、
   周方向に隣接する前記凹溝の間に対応する位置に、非磁性材料または空間で構成され、隣接する前記凹溝の間の磁路である流入磁路（４６、４６１－４６３）を通る磁束を低減する一つ以上の磁束低減部（４５、４５５－４５８）が設けられている回転電機。
2. 前記ティースは、二つの前記凹溝（４４１、４４２）と一つの前記磁束低減部（４５）とを有する請求項１に記載の回転電機。
3. 前記磁束低減部は、前記ティースの周方向における長さが前記ティースの径方向における長さよりも長く形成されている請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ティースの周方向における前記磁束低減部の長さは、前記流入磁路（４６）の幅よりも長く形成されている請求項３に記載の回転電機。
5. 前記流入磁路から前記磁束低減部の両側を経由して前記バックヨーク部に向かう磁路である二つの流出磁路（４７１、４７２）の幅の合計が前記流入磁路の幅よりも小さくなるように構成されている請求項２～４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 二つの前記凹溝の周方向の中心同士の、前記回転軸を中心とする角度である凹溝間角度をθｇとすると、前記ティースの数が１２のとき、前記凹溝間角度は、
   ７°＜θｇ＜９°
   となるように構成されている請求項２～５のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記ティースは、二つ以上の前記凹溝（４４５－４４８）と、隣接する前記凹溝の間の前記流入磁路に対応してそれぞれ一つ以上設けられた合計二つ以上の前記磁束低減部（４５５－４５８）と、を有する請求項１に記載の回転電機。
8. 前記ティースは、
   周方向に順に配置された第１凹溝（４４５）、第２凹溝（４４６）、第３凹溝（４４７）及び第４凹溝（４４８）の四つの前記凹溝と、
   前記第１凹溝と前記第２凹溝との間の前記流入磁路（４６１）に対応して設けられた第１磁束低減部（４５５）、前記第２凹溝と前記第３凹溝との間の前記流入磁路（４６２）に対応して設けられた第２磁束低減部（４５６）及び第３磁束低減部（４５７）、前記第３凹溝と前記第４凹溝との間の前記流入磁路（４６３）に対応して設けられた第４磁束低減部（４５８）の四つの前記磁束低減部と、を有し、
   各前記流入磁路から対応する前記磁束低減部の両側を経由して前記バックヨーク部に向かう磁路である複数の流出磁路（４８１－４８７）の幅の合計が複数の前記流入磁路の幅の合計よりも小さくなるように構成されている請求項７に記載の回転電機。
9. 前記ティースは、前記回転軸に直交する各断面において、前記回転軸を通る対称軸（Ｖ）に対して対称に形成されており、
   複数の前記凹溝及び一つ以上の前記磁束低減部は、前記回転軸に直交する各断面において、前記ティースの対称軸に対して対称に配置されている請求項１～８のいずれか一項に記載の回転電機。
10. 前記ティースは、二つの前記凹溝（４４１、４４２）を有し、
    前記回転軸に直交する各断面において、二つの前記凹溝の間の前記流入磁路（４６）の幅は、前記対称軸から離れた側の前記凹溝の角と前記鍔部の周方向端部との間の磁路（４９）の幅よりも短く形成されている請求項９に記載の回転電機。
11. 前記ステータコアは、前記凹溝が前記回転軸に平行に延びたサブステータコアが複数段積層されており、各段の位置に応じて前記凹溝の周方向位置が所定方向にずれたｎ段（ｎ≧２）の段スキュー構造となっており、
    前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をｋとし、隣接する段の前記凹溝同士の、前記回転軸を中心とする凹溝段スキュー角度をθｓｄとすると、
    ０＜θｓｄ≦３６０°÷ｋ÷ｎ
    となるように構成されている請求項１～１０のいずれか一項に記載の回転電機。
12. 前記ステータコアは、前記凹溝が前記回転軸に対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっており、
    前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をｋとし、前記凹溝の一端と他端との、前記回転軸を中心とする凹溝リニアスキュー角度をθｓＬとすると、
    ０＜θｓＬ≦３６０°÷ｋ
    となるように構成されている請求項１～１０のいずれか一項に記載の回転電機。
13. 前記ロータコアは、前記磁石が前記回転軸に平行に延びたサブロータコアが複数段積層されており、各段の位置に応じて前記磁石の周方向位置が所定方向にずれたｎ段（ｎ≧２）の段スキュー構造となっており、
    前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をｋとし、隣接する段の前記磁石同士の、前記回転軸を中心とする磁石段スキュー角度をψｓｄとすると、
    ０＜ψｓｄ≦３６０°÷ｋ÷ｎ
    となるように構成されている請求項１～１０のいずれか一項に記載の回転電機。
14. 前記ロータコアは、前記磁石が前記回転軸に対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっており、
    前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をｋとし、前記磁石の一端と他端との、前記回転軸を中心とする磁石リニアスキュー角度をψｓＬとすると、
    ０＜ψｓＬ≦３６０°÷ｋ
    となるように構成されている請求項１～１０のいずれか一項に記載の回転電機。
15. 複数の前記凹溝は、前記回転軸を中心として放射状に形成されている請求項１～１４のいずれか一項に記載の回転電機。
16. 前記ティースは、前記回転軸に直交する各断面において前記回転軸を通る対称軸（Ｖ）に対して対称に形成されており、
    複数の前記凹溝は、前記ティースの対称軸に平行に形成されている請求項１～１４のいずれか一項に記載の回転電機。

Images