JP4244299B2 - 電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両のハンドルの操舵力を補助する電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ、詳しくは矩形波にて駆動される電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などのステアリング装置において、ステアリングホイールから操舵力がコラムシャフトに伝えられる。一方、操舵力を補助するモータからの回転トルクがウォームギヤを介してコラムシャフトに伝えられ、操舵力を補助する。このような電動パワーステアリング装置では、モータにて発生するトルクの脈動がウォームギヤとコラムシャフトとを介して、ステアリングホイールに伝達される。従って、滑らかなステアリング感覚を得るためには、モータのトルク脈動を抑制しなければならない。また、車輌に搭載される機器として小形軽量化が要請される。
【０００３】
この要請に応えるものとして、本願と同じ発明者らは、先にモータとして永久磁石型モータ（以下、ＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータという。）を用いて小型軽量化を図るとともに、固定子のティースに補助の溝状部を設けてコギングトルクを低減するものを提案した（特許文献１参照）。このようなＰＭモータは、例えば回転子に永久磁石による磁極が設けられ、固定子は電機子とされており固定子鉄心と固定子巻線とを有する、いわゆる回転界磁型の同期モータである。
【０００４】
そして、固定子巻線として各ティースにコイルを集中して巻回し、複数のティースにまたがらない、いわゆる集中巻を採用することにより、コイルエンドの大幅な縮小を図ることにより小型軽量化を図ることができるものである。しかし、上記ＰＭモータのような集中巻では固定子巻線が短節巻となることから、全節巻のときに比べて高調波の巻線係数が小さく、その結果、誘起電圧の波形が矩形波駆動に適さない波形となり、矩形波駆動される場合にトルクリップルが非常に大きくなるという欠点があった。さらに、誘起電圧が矩形波駆動に適した波形には、高調波が含まれる。高調波を含むということは磁石の起磁力に多くの空間高調波を含むことを示しており、これはコギングトルクを増大するという原因となる。
【０００５】
すなわち、矩形波駆動に適した誘起電圧波形を得られたとしてもコギングトルクが大きく、電動パワーステアリング装置には適さないモータとなってしまう。コギングトルクが大きいと、モータがアシストトルクを殆ど発生しない状態すなわち無負荷に近い状態において、滑らかなステアリング感覚を損ねるからである。この問題を解決するために特許文献１に記載されたようなものを提案した。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−６１２７２号公報（特に、段落番号００１４及び図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなＰＭモータにおいて、電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータとして操舵のフィーリングを損なわないようにするためには、ＰＭモータの無負荷誘起電圧波形を具体的にどのようなものにすればよいかについて明らかにされていなかった。すなわち、この種のモータにおいては、操舵のフィーリングを損なわないようにするためには、モータトルクに関して例えば図２０のモータトルクと要求されるトルクリップルの制限値との関係を示す図において実線で示される値以下にすることが必要とされ、望ましくは図２０の点線で示される値以下にすることが必要とされる。
【０００８】
つまり、定格出力近辺でトルク脈動は６％、望ましくは３％、無負荷に近い状態において問題となるコギングトルクの脈動は０．５％以下、望ましくは０．２５％程度に抑制するという要請がある。従来のＰＭモータは、上記のような要請について具体的に応えるものではなかった。この発明は、上記のような問題点を解決して、小形軽量化が可能で、かつ滑らかなステアリング感覚を損ねることない電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータを得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータは、
電機子と界磁とを有するものであって、
電機子は電機子鉄心と電機子巻線とを有し、
電機子鉄心は環状の継鉄部とティースとを有し、
ティースは、継鉄部の軸方向と直交する方向であって継鉄部の内周部から内方向へ突設された内方向端部又は外周部から外方向に突設された外方向端部を有し、内方向端部又は外方向端部に継鉄部の軸方向に延在する溝を形成する溝状部を有し、
電機子巻線は、ティースに集中巻きされたコイルを有する相巻線が三相デルタ結線されたものであり、
界磁は、永久磁石にて形成され円筒状の外周部又は内周部を形成するように配設された複数の磁極を有し、
電機子鉄心のティースと界磁の磁極との間にスキューが施されたものであって、そのスキュー角は電気角でほぼ４度以上で４７度以下、より好ましくは２０度以上で３３度以下であり、
電機子及び界磁のうちの一方が固定され、界磁は磁極がティースの内方向端部又は外方向端部に対向するとともに電機子と相対回転可能に配設され、磁極は相巻線の無負荷誘起電圧の波形が無負荷誘起電圧のピーク値から５％低下した第１及び第２の点を定義したとき第１及び第２の点の間の電気角θがほぼ５３度以上、より望ましくは６２度以上である台形状となるようにされたものであり、
電機子巻線に矩形波電圧が印加されるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図１２は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１はＰＭモータの構成を示す断面図、図２は無負荷誘起電圧を示す説明図、図３は角度のパラメータθとトルク脈動の関係を示す図である。図４は磁極の残留磁束波形を示す波形図、図５は線間無負荷誘起電圧の比較を示す波形図、図６は無次元のパラメータＸの説明図である。図７は無次元のパラメータＸと角度のパラメータθとの関係を示す図である。
【００１１】
図８はデルタ結線の場合とＹ結線の場合における無負荷誘起電圧波形を示す波形図である。図９はデルタ結線の場合とＹ結線の場合における相電流波形を示す波形図である。図１０はデルタ結線の場合とＹ結線の場合におけるトルク脈動を示す図である。図１１は従来のものと本実施の形態におけるＰＭモータのコギングトルクを比較して示す図である。図１２はティースとティースに設けられた溝状部の寸法との関係を定義するための説明図である。
【００１２】
図１において、電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータは次のように構成されている。電機子である固定子２は、固定子鉄心３と固定子巻線４を有する。固定子鉄心３は、円環状の継鉄部３ａとこの継鉄部３ａの内周側から突設された６個のティース３ｂを有し、隣接する二つのティース３ｂにてスロット３ｃが形成されており、スロット数は６である。各ティース３ｂの先端部３ｄには図示のように継鉄部３ａの周方向両側に突設された突設部３ｈが設けられて拡大されており、後述の円筒状の回転子６の磁極８と対向する円筒状の内周部３ｅを形成している。
【００１３】
また、ティース３ｂの先端部３ｄであって回転子６の磁極８（後述）と対向する部分には固定子鉄心３の軸方向に直線状に溝を形成する溝状部３ｆがそれぞれ二個所設けられている。ティース３ｂを有する固定子鉄心３は、所定の形状の鋼板を所定枚数積層して形成されている。この鋼板は帯状の電磁鋼板を打ち抜いて製作する。固定子巻線４は、固定子鉄心３の各ティース３ａに集中的に巻回された６個のコイル５にて構成されている。この６個のコイル５は、三相であるから間のコイルを２個飛ばした２個のコイル５が直列に接続されて１相分の相巻線４ａを構成し、計３相分の相巻線４ａが図示しないが三相デルタ結線されている。
【００１４】
界磁としての回転子６は、図示しないシャフトに固着された円筒状の継鉄ブロック７と４個の円弧状の磁極８を有し、極数は４極である。磁極８は、永久磁石にて形成され、継鉄ブロック７の外周部に交互にＮ極、Ｓ極が外方を向くようにしてかつ全体として円筒状の外周部を形成するようにして互いに密接して設けられている。そして、この回転子６が固定子鉄心３に設けられた６個のティース３ｂの先端部３ｄにて形成された円筒状の内周部３ｅに上記磁極が対向するようにして挿入され、図示しない軸受けにより回転自在に支持されている。なお、この実施の形態では、固定子２のティース３ｂに対して回転子６の磁極８のスキュー角度を約３０度としている。
【００１５】
ここで、磁極８の残留磁束について説明する。電動パワーステアリング装置におけるモータのトルク脈動が大きいと滑らかなステアリング感覚を得ることができない。電動パワーステアリング装置における一般的なギヤ比から換算するとステアリングホイールにおいて滑らかなステアリング感覚を得るためには、モータの定格負荷近傍においてはトルク脈動を６％以下、望ましくは３％以下にすることが要請されることは先に述べた。
【００１６】
なお、一般的に矩形波駆動のモータでは正弦波駆動のモータよりトルク脈動が大きく、このトルク脈動を緩和するために所定の弾性を有する樹脂製のカップリングなどが併用される場合もある。しかし、ここでは樹脂製のカップリングなどを使用することなく上記条件を満たすための磁極８の残留磁束の条件について説明する。
【００１７】
まず、無負荷誘起電圧波形とトルク脈動の大きさについて考える。各相巻線４ａの無負荷誘起電圧の波形が図２に示すような形状であるとする。図２において、横軸は回転子６の所定値を基点として角度位置を電気角で表す。また、縦軸は電圧値である。電圧波形は台形状であり中央部の平坦な部分の電圧値（これは電圧のピーク値でもある）を１００％とし、５％低下した二つの点をＡ、Ｂとする。この２点Ａ，Ｂ間の電気角を角度のパラメータθと定義し、角度のパラメータθに対するトルク脈動をプロットすると図３に示すようになる。
【００１８】
図３において、横軸は角度のパラメータθを電気角で示し、縦軸はトルク脈動をモータの定格トルクに対する割合を％値で示している。図３から明らかなように角度のパラメータθが大きいほどトルク脈動が小さく、角度のパラメータθが小さくなるとトルク脈動が大幅に増加する傾向がみられる。
【００１９】
図３に示すように、
角度のパラメータθ≧５３度（電気角）
としたときには、トルク脈動が６％以下となり、
角度のパラメータθ≧６２度（電気角）
としたときには、３％以下となっていることから、電動パワーステアリング用永久磁石型モータにおいては、無負荷誘起電圧波形における角度のパラメータθ≧５３度（電気角）とすればよく、より望ましくは角度のパラメータθ≧６２度（電気角）とすればよいことが分かる。
【００２０】
次に、上述のような無負荷誘起電圧波形を実現するための、回転子６の磁極８の残留磁束密度の波形について述べる。図４は磁極８の残留磁束密度の波形を描いたものである。横軸は角度（電気角）を示し、縦軸は残留磁束密度Ｂｒを示す。波形Ｅは理想的矩形波、波形Ｆは台形波である。この残留磁束密度Ｂｒの分布の波形によって無負荷誘起電圧波形も変化する。図５に、波形Ｅ及びＦのそれぞれの場合の無負荷誘起電圧波形Ｇ，Ｈを示す。波形Ｅでは台形波形に近い形状の無負荷誘起電圧が得られているが、波形Ｆでは無負荷誘起電圧は正弦波に近い波形となっている。
【００２１】
理想的な矩形波からのずれを定量化する手段として、次のような無次元のパラメータＸ（図６参照）を定義する。なお、図６においてＫは磁極８の残留磁束密度波形、Ｌは理想的矩形波である。
Ｘ＝Ｓ１／Ｓ２
ここに、Ｓ１は磁極８の残留磁束密度波形Ｋの電気角０度から１８０度（＝πｒａｄ）までの面積（残留磁束密度波形Ｋと横軸（Ｂｒ＝０）とで囲まれる面積）、Ｓ２は理想的矩形波Ｌの電気角０度から１８０度までの面積（理想的矩形波Ｌと横軸（Ｂｒ＝０）とで囲まれる面積である。Ｓ１，Ｓ２は、数式で表現すれば、次の式（１）、（２）となる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
この無次元のパラメータＸに対して、先に定義した角度のパラメータθ（図２参照）がどのように変化するかを示したのが図７である。Ｘ≧０．８５であれば、θ≧５３度（電気角）となり、ＰＭモータのトルク脈動は図３に示されるように６％以下に低減できることがわかる。また、Ｘ≧０．９であれば、θ≧６２度（電気角）となり、ＰＭモータのトルク脈動は図３に示されるように３％以下に低減できることがわかる。
【００２４】
よって、この実施の形態においては定格負荷時のトルク脈動を３％以下にするために角度のパラメータθが約６５度となるように回転子６の磁極８を着磁している。なお、ラジアル異方性のリング状の磁石は矩形波状に近い波形に着磁することができる。従って、このような角度のパラメータθが約６５度となるように残留磁束密度分布を実現するには、ラジアル異方性のリング形状磁石を磁極８として用いるのが適している。
【００２５】
以上に説明したＰＭモータは、固定子２の相巻線４ａが三相デルタ結線にされる。この場合の相巻線４ａに発生する無負荷誘起電圧は図８（ａ）に示すように、上記角度のパラメータθ≧６２度を満たす波形となっている。なお、参考までに、相巻線４ａをＹ結線とした場合に相巻線４ａに発生する無負荷誘起電圧を図８（ｂ）に示す。デルタ結線とＹ結線とでは、無負荷誘起電圧の波形が異なる。線間電圧としてみたときの波形を比べると、デルタ結線では台形状となり平坦な部分が見られるが、Ｙ結線ではピークがややとがった形状となってしまう。
【００２６】
次に、このＰＭモータを矩形波駆動にて制御した場合について考える。１２０度通電の場合、相電流波形は図９に示すようになり、図９（ａ）はデルタ結線にした場合、図９（ｂ）は同じＰＭモータをＹ結線にした場合であり、波形が異なる。このときのトルク波形も異なり、デルタ結線では図１０（ａ）に示すように脈動が小さいのに対し、Ｙ結線では図１０（ｂ）に示すように大きく脈動する。この場合、Ｙ結線では３０％の脈動成分がみられたが、デルタ結線ではわずか２％程度であった。このように同じ矩形波駆動によって制御しても本発明によりトルク脈動が大幅に改善できることがわかる。
【００２７】
さらに、デルタ結線にしたことで循環電流が発生するが、ＰＭモータの極数Ｐとスロット数Ｎの間に
ｓｉｎ（３πＰ／２Ｎ）＝０ ・・・（３）
なる関係が成立するようにＰおよびＮを選定すると、磁極８が発生する磁束のうち固定子の巻線２ａに鎖交する磁束の空間３次とその整数倍の磁束成分（電気角３６０度を１次とする）をキャンセルすることができる。すなわち、循環電流の原因の１つである無負荷誘起電圧の第３高調波およびその整数倍の次数の高調波が発生しない。これにより、デルタ結線としても循環電流による銅損を低減することができるという効果がある。なお、この実施の形態においては、Ｐ＝４、Ｎ＝６であり、上記式（３）の条件を満足する。循環電流による銅損を低減できるということは電動パワーステアリング装置においては、ロストルクを低減でき良好な操舵フィーリングを得ることができるという効果があるということである。
【００２８】
また、コギングトルクの大小も操舵フィーリングに影響する。本発明のＰＭモータでは、無負荷誘起電圧の波形は図８（ａ）に示すような台形状としている。しかし、このような波形を発生するようにすると回転子６の磁極８の起磁力の高調波が大きくなってしまうため、コギングトルクも大きくなってしまうという問題が生じる。そして、コギングトルクが大きくなると、操舵のフィーリングを損ねないためにＰＭモータが無負荷に近い状態においてトルク脈動（主としてコギングトルクの脈動である）を０．５〜０．２５％以下に抑制するという条件に反するおそれが生じる。
【００２９】
そこで、固定子２のティース３ｂの先端部３ｄに溝状部３ｆを２個設けることによりコギングトルクの脈動を０．２５％以下になるように低減している。図１１にＰＭモータのコギングトルク特性の比較して示す。曲線Ｐが溝状部３ｆを設けない場合のコギングトルク特性、曲線Ｑが本発明によるＰＭモータのコギングトルク特性であり、コギングトルクが大幅に低減されていることがわかる。
【００３０】
なお、このときの溝状部３ｆは、図１２に示すようにティース３ｂの先端部３ｄに設けられた突出部３ｈの固定子鉄心３の径方向の寸法をａ、隣接する突出部３ｈ同士の固定子鉄心３の周方向の間隙寸法をｃ、溝状部３ｆの凹設深さをｂ、ティース３ｄの間隔すなわちスロットの間隔をＷとしたときに、溝状部３ｆの開口幅を上記間隙寸法ｃと同じ値にするとともに、ｃ／Ｗ＝０．０７、ｂ／ａ＝０．４となるように設定したものである。このように固定子２のティース３ｂの先端部３ｄに溝状部３ｆを設けると、等価的にスロット数が増えることになり、極数Ｐとスロット数Ｎの最小公倍数が増加し、大幅にコギングトルクを低減できることは、先に挙げた特許文献１に記載されている。
【００３１】
以上のような構成とすることで、矩形波駆動されたとき負荷時のトルク脈動が小さくなるような波形の無負荷誘起電圧を発生しつつ、コギングトルクも０．２５％以下と大幅に低減することができ、操舵のフィーリングを損なうことがないようにできる。
【００３２】
実施の形態２．
図１３〜図１５は、この発明の他の実施の形態を示すものであり、図１３はスキューされた磁極を有する回転子の構成を示す断面図、図１４はスキュー角と定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動の関係を示す説明図、図１５は無負荷誘起電圧の波形を示す波形図である。実施の形態１において、負荷時のトルク脈動を低減するとともにコギングトルクを大幅に低減して、操舵のフィーリングを損ねないようしたものを示した。
【００３３】
さらに、回転子や固定子にスキューを施すことにより、コギングトルクの脈動の原因となる磁極の起磁力の高調波やトルク脈動の原因となる固定子巻線に流れる電流がつくる起磁力高調波を打ち消すことができる。この実施の形態においては、コギングトルクをさらに低減するために、円筒状の永久磁石材をラジアル方向にＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓの４極にスキューさせて着磁して、図１の磁極８と同様の波形の無負荷誘起電圧を誘起するようにしたものである。
【００３４】
図１３において、回転子２６の磁極２８は、継鉄ブロック７の外周に嵌着された円筒状の永久磁石材を図１３に示すように回転子の軸方向に沿って図１３の上方へ行くに従って反時計方向にずらしてかつＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓの４極が周方向に密接するように着磁して、図１の磁極８と同様の波形の無負荷誘起電圧を誘起するようにしたものである。
【００３５】
なお、円筒状の永久磁石材は、着磁の位置を回転子２６の軸方向に沿って回転子２８の周方向にずらすだけで容易にスキューされた磁極２８を形成することができる。また、磁石の配向についてはラジアル方向に配向された磁石を用いれば無負荷誘起電圧波形を台形波により近づけることができる。この実施の形態では、固定子２のティース３ｂに対して回転子２６の磁極２８のスキュー角度を約２０度とした。その理由を、以下に説明する。
【００３６】
まず、スキュー角が大きすぎると無負荷誘起電圧に含まれる高調波成分が小さくなり、正弦波状の波形に近づく。つまり、スキュー角が大きすぎると、矩形波駆動されたときにトルク脈動が大きくなってしまう。また、コギングトルクの低減の観点からはスキュー角は大きい方が望ましい。つまり、スキューに関してはトルク脈動の低減とコギングトルクの低減とは相反する特性を有している。
【００３７】
そこで、スキュー角と定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動の関係を求めて図示したのが図１４である。図１４において、横軸はスキュー角ζを電気角で表し、左の縦軸はトルク脈動をモータの定格トルクに対する割合として％値で示し、右の縦軸はコギングトルクの脈動をモータの定格トルクに対する割合として％値で示している。図１４において、曲線ＰＲが定格負荷時のトルク脈動を表しているが、スキュー角ζがある一定範囲すなわち約３３度を超えるとスキュー角の増加に比例してトルク脈動が大きくなるという傾向がみられる。
【００３８】
そして、図１４から、
スキュー角ζ≦４７度（電気角）
としたときには、トルク脈動が６％以下となり、
スキュー角ζ≦３３度（電気角）
としたときには、３％以下となっている。
【００３９】
なお、スキュー角ζによる無負荷誘起電圧（線間電圧）の波形を図１５に示す。図１５（ａ）はスキュー角ζを１０度としたときの無負荷誘起電圧の波形を、図１５（ｂ）はスキュー角ζを２０度としたときの無負荷誘起電圧の波形を示すが、いずれの場合も平坦部（図２における角度のパラメータθの部分）が十分な大きさになっている。従って、定格負荷時のトルク脈動の低減の点からは、電動パワーステアリング用モータにおいては、スキュー角ζ≦４７度（電気角）とすればよく、より望ましくはζ≦３３度（電気角）とするのがよい。
【００４０】
一方、無負荷に近い状態において問題となるコギングトルクについては、図１４において曲線ＣＴがコギングトルクの脈動を表しているが、より、
スキュー角ζ≧４度（電気角）
としたときには、トルク脈動が０．５％以下となり、
スキュー角ζ≧２０度（電気角）
としたときには、０．２５％以下となっている。
【００４１】
従って、上記両者を満足するようにスキュー角ζは、
４度（電気角）≦ζ≦４７度（電気角）
に、より望ましくは
２０度（電気角）≦ζ≦３３度（電気角）
の範囲に選ぶ。
以上のような理由により、この実施の形態においてはスキュー角ζを約２０度とし、定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動がともに上記適正範囲に入るようにしている。
【００４２】
スキュー角ζが小さいと、筒状の永久磁石材を使用する場合は磁極８の着磁が容易であり、セグメント状の永久磁石にて継鉄ブロック７の外周部に円筒状になるように配設する場合は、セグメント状の永久磁石の形状が大きくねじれた状態にならないのでその製作が容易である。また、スキュー角ζが小さいと、巻線係数が大きくなり磁石の磁束を有効に利用できるため、出力トルクが大きくなるという効果もある。
【００４３】
ところで、固定子２と回転子６との間でスキューを行うことは、例えば特開平１０−４２５３１号公報に開示されている。この特開平１０−４２５３１号公報に記載された５／６スロットピッチスキュー（本発明のスキュー角ζに相当）は、電気角１００度に相当する。磁石の磁束をどれだけ有効利用しているかの目安となる巻線係数で比較すると、従来例のスキュー角ζが１００度の場合は０．８７８であるのに対し、この発明においてスキュー角ζを４７度とすれば巻線係数は０．９７２と従来のものよりも１０％以上も大きく、スキュー角ζを３３度とすれば巻線係数が０．９８６となり、従来例より１２％以上も大きくなる。
【００４４】
以上のように、この発明においては磁極８の磁束を有効に利用していることは明らかである。また、トルクの大きさも巻線係数にほぼ比例するため、本発明では従来例よりトルクが大きくなるという効果がある。
【００４５】
なお、コギングトルクをさらに低減するためには、スキュー角ζをコギングトルクの周期の整数倍とすればよい。ＰＭモータの極数をＰ、スロット数をＮ、各ティース３ｂの溝状部３ｆの数をｎとし、（ｎ＋１）ＮとＰの最小公倍数をＭとしたとき、コギングトルクの周期は１８０Ｐ／Ｍ度（電気角）となる。従って、１８０Ｐ／Ｍ度（電気角）の整数倍だけスキューすればコギングトルクをより大幅に低減できるという効果がある。この実施の形態では、最小公倍数Ｍは３６であり、スキュー角は２０度となるので、スキュー角を２０度とすれば、一層コギングトルクを小さくできる。
【００４６】
なお、以上では回転子２６にスキューを施した例を示したが、固定子２（図１）にスキューを施しても、あるいは、固定子および回転子双方にスキューを施しても同様の効果が得られることは言うまでもない。固定子２は、一般的に薄い板状の電磁鋼板を積層して形成されているが、電磁鋼板を固定子２の軸方向に積層するときにティース３ｂを構成することになる突出部を周方向に少しずつずらしながら積層することにより容易にティースをスキューすることができる。
【００４７】
また、本実施の形態においては、回転子２６の磁極２８は円筒状の永久磁石材料を上記のような残留磁束密度分布を有する磁極が形成されるように着磁したものを示したが、磁極は各磁極が周方向に分離した円弧状で軸方向に捻れた４個の永久磁石によって形成されスキューを施されたものであってもよい。さらに、本実施の形態においては、スキューを施す方向が一方向であるものについて説明したが、スキューを施す周方向の向きを軸方向の中央部付近で反転させるいわゆるＶ型スキューでもよいことは言うまでもない。
【００４８】
実施の形態３．
図１６〜図１９は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図１６は回転子の極数と固定子のスロット数との可能な組み合わせ例を示す図、図１７〜図１９はそれぞれ別のＰＭモータの構成を示す断面図である。以上の実施の形態においては、ＰＭモータは４極６スロットである場合について述べたが、図１６に示すような回転子の極数Ｐと固定子のスロット数（ティース数）Ｎとの様々な組み合わせであっても同様の効果を奏する。なお、このとき上記式（３）のｓｉｎ（３πＰ／２Ｎ）＝０の条件が満たされるので、固定子巻線をデルタ結線にしたときの循環電流を小さくできる。
【００４９】
また、図１７に示すように、固定子２２における固定子巻線２４の相巻線２４ａは、コイル２５がティース３ｂに１つにだけ巻き回されたものであってもよい。この場合、各相巻線２４ａはおのおの一つのコイル２５で構成される。さらに、溝状部の数についても、図１のように各ティース３ｂに２個設ける場合のみならず、例えば図１８に示すように固定子３２における内周部３３ｅを形成する固定子鉄心３３の各ティース３３ｂの先端部３３ｄに４個づつの溝状部３３ｆを設けてもよい。先端部３３ｄは図１に示した先端部３ｄと同様に周方向に両側に突設された突設部３３ｈを有している。なお、図１８に示したＰＭモータは、９個のティース３３ｂにて９つのスロット３３ｃが形成された６極９スロットのものである。
【００５０】
さらに、溝状部３ｆや３３ｆは必ずしも等間隔に並ぶ必要もなく、開口幅や深さもこの発明の目的を損なわない範囲で任意に形成することができる。また、極数も図１６に示したような組み合わせが考えられ、例えば図１９に示すように固定子４６を８極の磁極を有するものにし、８極６スロットにて構成することもできる。
【００５１】
また、以上の各実施の形態においては、電機子が固定子となる回転界磁型の回転電機としてのＰＭモータについて説明したが、これに限られるものではなく、回転電機子型のものにも同様に適用可能である。回転電機子型の一例としてアウタロータ型で構成した場合、回転する電機子鉄心のティースは円筒状の外周部を形成するように放射状に設けられ、界磁の永久磁石式のＮ、Ｓ各極は円筒状の内周部を構成するように内方に向かって放射状に設けられる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、
電機子と界磁とを有するものであって、
電機子は電機子鉄心と電機子巻線とを有し、
電機子鉄心は環状の継鉄部とティースとを有し、
ティースは、継鉄部の軸方向と直交する方向であって継鉄部の内周部から内方向へ突設された内方向端部又は外周部から外方向に突設された外方向端部を有し、内方向端部又は外方向端部に継鉄部の軸方向に延在する溝を形成する溝状部を有し、
電機子巻線は、ティースに集中巻きされたコイルを有する相巻線が三相デルタ結線されたものであり、
界磁は、永久磁石にて形成され円筒状の外周部又は内周部を形成するように配設された複数の磁極を有し、
電機子鉄心のティースと界磁の磁極との間にスキューが施されたものであって、そのスキュー角は電気角でほぼ４度以上で４７度以下、より好ましくは２０度以上で３３度以下であり、
電機子及び界磁のうちの一方が固定され、界磁は磁極がティースの内方向端部又は外方向端部に対向するとともに電機子と相対回転可能に配設され、磁極は相巻線の無負荷誘起電圧の波形が無負荷誘起電圧のピーク値から５％低下した第１及び第２の点を定義したとき第１及び第２の点の間の電気角θがほぼ５３度以上、より望ましくは６２度以上である台形状となるようにされたものであり、
電機子巻線に矩形波電圧が印加されるものであるので、
小形軽量化が可能で、かつ滑らかなステアリング感覚を損ねることない電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の一形態であるＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図２】 図１のＰＭモータの無負荷誘起電圧を示す説明図である。
【図３】 角度のパラメータθとトルク脈動の関係を示す図である。
【図４】 磁極の残留磁束波形を示す波形図である。
【図５】 線間無負荷誘起電圧の比較を示す波形図である。
【図６】 無次元のパラメータＸの説明図である。
【図７】 無次元のパラメータＸと角度のパラメータθとの関係を示す図である。
【図８】 デルタ結線の場合とＹ結線の場合における無負荷誘起電圧波形を示す波形図である。
【図９】 デルタ結線の場合とＹ結線の場合における相電流波形を示す波形図である。
【図１０】 デルタ結線の場合とＹ結線の場合における図１のＰＭモータのトルク脈動を示す図である。
【図１１】 従来のものと図１のＰＭモータのコギングトルクを比較して示す図である。
【図１２】 ティースとティースに設けられた溝状部の寸法との関係を定義するための説明図である。
【図１３】 この発明の他の実施の形態であるスキューされた磁極を有する回転子の構成を示す断面図である。
【図１４】 スキュー角と定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動の関係を示す説明図である。
【図１５】 無負荷誘起電圧の波形を示す波形図である。
【図１６】 さらにこの発明の他の実施の形態である回転子の極数と固定子のスロット数との可能な組み合わせ例を示す図である。
【図１７】 この発明の別のＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図１８】 さらに、この発明の別のＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図１９】 さらに、この発明の別のＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図２０】 電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータにおいてモータトルクと要求されるトルクリップルの制限値との関係を示す図である。
【符号の説明】
２ 固定子、３ 固定子鉄心、３ｂ ティース、３ｃ スロット、
３ｆ 溝状部、４ 固定子巻線、４ａ 相巻線、５ コイル、６ 回転子、
８ 磁極、２２ 固定子、２４ 固定子巻線、２４ａ 相巻線、２５ コイル、
３２ 固定子、３３ 固定子鉄心、３３ｂ ティース、３３ｃ スロット、
３３ｆ 溝状部、３４ 固定子巻線、３４ａ 相巻線、３５ コイル、
３６ 回転子、３８ 磁極、４６ 回転子、４８ 磁極。
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両のハンドルの操舵力を補助する電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ、詳しくは矩形波にて駆動される電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車などのステアリング装置において、ステアリングホイールから操舵力がコラムシャフトに伝えられる。一方、操舵力を補助するモータからの回転トルクがウォームギヤを介してコラムシャフトに伝えられ、操舵力を補助する。このような電動パワーステアリング装置では、モータにて発生するトルクの脈動がウォームギヤとコラムシャフトとを介して、ステアリングホイールに伝達される。従って、滑らかなステアリング感覚を得るためには、モータのトルク脈動を抑制しなければならない。また、車輌に搭載される機器として小形軽量化が要請される。
【０００３】
この要請に応えるものとして、本願と同じ発明者らは、先にモータとして永久磁石型モータ（以下、ＰＭ（Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ）モータという。）を用いて小型軽量化を図るとともに、固定子のティースに補助の溝状部を設けてコギングトルクを低減するものを提案した（特許文献１参照）。このようなＰＭモータは、例えば回転子に永久磁石による磁極が設けられ、固定子は電機子とされており固定子鉄心と固定子巻線とを有する、いわゆる回転界磁型の同期モータである。
【０００４】
そして、固定子巻線として各ティースにコイルを集中して巻回し、複数のティースにまたがらない、いわゆる集中巻を採用することにより、コイルエンドの大幅な縮小を図ることにより小型軽量化を図ることができるものである。しかし、上記ＰＭモータのような集中巻では固定子巻線が短節巻となることから、全節巻のときに比べて高調波の巻線係数が小さく、その結果、誘起電圧の波形が矩形波駆動に適さない波形となり、矩形波駆動される場合にトルクリップルが非常に大きくなるという欠点があった。さらに、誘起電圧が矩形波駆動に適した波形には、高調波が含まれる。高調波を含むということは磁石の起磁力に多くの空間高調波を含むことを示しており、これはコギングトルクを増大するという原因となる。
【０００５】
すなわち、矩形波駆動に適した誘起電圧波形を得られたとしてもコギングトルクが大きく、電動パワーステアリング装置には適さないモータとなってしまう。コギングトルクが大きいと、モータがアシストトルクを殆ど発生しない状態すなわち無負荷に近い状態において、滑らかなステアリング感覚を損ねるからである。この問題を解決するために特許文献１に記載されたようなものを提案した。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−６１２７２号公報（特に、段落番号００１４及び図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなＰＭモータにおいて、電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータとして操舵のフィーリングを損なわないようにするためには、ＰＭモータの無負荷誘起電圧波形を具体的にどのようなものにすればよいかについて明らかにされていなかった。すなわち、この種のモータにおいては、操舵のフィーリングを損なわないようにするためには、モータトルクに関して例えば図２０のモータトルクと要求されるトルクリップルの制限値との関係を示す図において実線で示される値以下にすることが必要とされ、望ましくは図２０の点線で示される値以下にすることが必要とされる。
【０００８】
つまり、定格出力近辺でトルク脈動は６％、望ましくは３％、無負荷に近い状態において問題となるコギングトルクの脈動は０．５％以下、望ましくは０．２５％程度に抑制するという要請がある。従来のＰＭモータは、上記のような要請について具体的に応えるものではなかった。この発明は、上記のような問題点を解決して、小形軽量化が可能で、かつ滑らかなステアリング感覚を損ねることない電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータを得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータは、
電機子と界磁とを有するものであって、
電機子は電機子鉄心と電機子巻線とを有し、
電機子鉄心は環状の継鉄部とティースとを有し、
ティースは、継鉄部の軸方向と直交する方向であって継鉄部の内周部から内方向へ突設された内方向端部又は外周部から外方向に突設された外方向端部を有し、内方向端部又は外方向端部に継鉄部の軸方向に延在する溝を形成する溝状部を有し、
電機子巻線は、ティースに集中巻きされたコイルを有する相巻線が三相デルタ結線されたものであり、
界磁は、永久磁石にて形成され円筒状の外周部又は内周部を形成するように配設された複数の磁極を有し、
電機子鉄心のティースと界磁の磁極との間にスキューが施されたものであって、そのスキュー角は電気角でほぼ４度以上で４７度以下、より好ましくは２０度以上で３３度以下であり、
電機子及び界磁のうちの一方が固定され、界磁は磁極がティースの内方向端部又は外方向端部に対向するとともに電機子と相対回転可能に配設され、磁極は相巻線の無負荷誘起電圧の波形が無負荷誘起電圧のピーク値から５％低下した第１及び第２の点を定義したとき第１及び第２の点の間の電気角θがほぼ５３度以上、より望ましくは６２度以上である台形状となるようにされたものであり、
電機子巻線に矩形波電圧が印加されるものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１〜図１２は、この発明の実施の一形態を示すものであり、図１はＰＭモータの構成を示す断面図、図２は無負荷誘起電圧を示す説明図、図３は角度のパラメータθとトルク脈動の関係を示す図である。図４は磁極の残留磁束波形を示す波形図、図５は線間無負荷誘起電圧の比較を示す波形図、図６は無次元のパラメータＸの説明図である。図７は無次元のパラメータＸと角度のパラメータθとの関係を示す図である。
【００１１】
図８はデルタ結線の場合とＹ結線の場合における無負荷誘起電圧波形を示す波形図である。図９はデルタ結線の場合とＹ結線の場合における相電流波形を示す波形図である。図１０はデルタ結線の場合とＹ結線の場合におけるトルク脈動を示す図である。図１１は従来のものと本実施の形態におけるＰＭモータのコギングトルクを比較して示す図である。図１２はティースとティースに設けられた溝状部の寸法との関係を定義するための説明図である。
【００１２】
図１において、電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータは次のように構成されている。電機子である固定子２は、固定子鉄心３と固定子巻線４を有する。固定子鉄心３は、円環状の継鉄部３ａとこの継鉄部３ａの内周側から突設された６個のティース３ｂを有し、隣接する二つのティース３ｂにてスロット３ｃが形成されており、スロット数は６である。各ティース３ｂの先端部３ｄには図示のように継鉄部３ａの周方向両側に突設された突設部３ｈが設けられて拡大されており、後述の円筒状の回転子６の磁極８と対向する円筒状の内周部３ｅを形成している。
【００１３】
また、ティース３ｂの先端部３ｄであって回転子６の磁極８（後述）と対向する部分には固定子鉄心３の軸方向に直線状に溝を形成する溝状部３ｆがそれぞれ二個所設けられている。ティース３ｂを有する固定子鉄心３は、所定の形状の鋼板を所定枚数積層して形成されている。この鋼板は帯状の電磁鋼板を打ち抜いて製作する。固定子巻線４は、固定子鉄心３の各ティース３ａに集中的に巻回された６個のコイル５にて構成されている。この６個のコイル５は、三相であるから間のコイルを２個飛ばした２個のコイル５が直列に接続されて１相分の相巻線４ａを構成し、計３相分の相巻線４ａが図示しないが三相デルタ結線されている。
【００１４】
界磁としての回転子６は、図示しないシャフトに固着された円筒状の継鉄ブロック７と４個の円弧状の磁極８を有し、極数は４極である。磁極８は、永久磁石にて形成され、継鉄ブロック７の外周部に交互にＮ極、Ｓ極が外方を向くようにしてかつ全体として円筒状の外周部を形成するようにして互いに密接して設けられている。そして、この回転子６が固定子鉄心３に設けられた６個のティース３ｂの先端部３ｄにて形成された円筒状の内周部３ｅに上記磁極が対向するようにして挿入され、図示しない軸受けにより回転自在に支持されている。なお、この実施の形態では、固定子２のティース３ｂに対して回転子６の磁極８のスキュー角度を約３０度としている。
【００１５】
ここで、磁極８の残留磁束について説明する。電動パワーステアリング装置におけるモータのトルク脈動が大きいと滑らかなステアリング感覚を得ることができない。電動パワーステアリング装置における一般的なギヤ比から換算するとステアリングホイールにおいて滑らかなステアリング感覚を得るためには、モータの定格負荷近傍においてはトルク脈動を６％以下、望ましくは３％以下にすることが要請されることは先に述べた。
【００１６】
なお、一般的に矩形波駆動のモータでは正弦波駆動のモータよりトルク脈動が大きく、このトルク脈動を緩和するために所定の弾性を有する樹脂製のカップリングなどが併用される場合もある。しかし、ここでは樹脂製のカップリングなどを使用することなく上記条件を満たすための磁極８の残留磁束の条件について説明する。
【００１７】
まず、無負荷誘起電圧波形とトルク脈動の大きさについて考える。各相巻線４ａの無負荷誘起電圧の波形が図２に示すような形状であるとする。図２において、横軸は回転子６の所定値を基点として角度位置を電気角で表す。また、縦軸は電圧値である。電圧波形は台形状であり中央部の平坦な部分の電圧値（これは電圧のピーク値でもある）を１００％とし、５％低下した二つの点をＡ、Ｂとする。この２点Ａ，Ｂ間の電気角を角度のパラメータθと定義し、角度のパラメータθに対するトルク脈動をプロットすると図３に示すようになる。
【００１８】
図３において、横軸は角度のパラメータθを電気角で示し、縦軸はトルク脈動をモータの定格トルクに対する割合を％値で示している。図３から明らかなように角度のパラメータθが大きいほどトルク脈動が小さく、角度のパラメータθが小さくなるとトルク脈動が大幅に増加する傾向がみられる。
【００１９】
図３に示すように、
角度のパラメータθ≧５３度（電気角）
としたときには、トルク脈動が６％以下となり、
角度のパラメータθ≧６２度（電気角）
としたときには、３％以下となっていることから、電動パワーステアリング用永久磁石型モータにおいては、無負荷誘起電圧波形における角度のパラメータθ≧５３度（電気角）とすればよく、より望ましくは角度のパラメータθ≧６２度（電気角）とすればよいことが分かる。
【００２０】
次に、上述のような無負荷誘起電圧波形を実現するための、回転子６の磁極８の残留磁束密度の波形について述べる。図４は磁極８の残留磁束密度の波形を描いたものである。横軸は角度（電気角）を示し、縦軸は残留磁束密度Ｂｒを示す。波形Ｅは理想的矩形波、波形Ｆは台形波である。この残留磁束密度Ｂｒの分布の波形によって無負荷誘起電圧波形も変化する。図５に、波形Ｅ及びＦのそれぞれの場合の無負荷誘起電圧波形Ｇ，Ｈを示す。波形Ｅでは台形波形に近い形状の無負荷誘起電圧が得られているが、波形Ｆでは無負荷誘起電圧は正弦波に近い波形となっている。
【００２１】
理想的な矩形波からのずれを定量化する手段として、次のような無次元のパラメータＸ（図６参照）を定義する。なお、図６においてＫは磁極８の残留磁束密度波形、Ｌは理想的矩形波である。
Ｘ＝Ｓ１／Ｓ２
ここに、Ｓ１は磁極８の残留磁束密度波形Ｋの電気角０度から１８０度（＝πｒａｄ）までの面積（残留磁束密度波形Ｋと横軸（Ｂｒ＝０）とで囲まれる面積）、Ｓ２は理想的矩形波Ｌの電気角０度から１８０度までの面積（理想的矩形波Ｌと横軸（Ｂｒ＝０）とで囲まれる面積である。Ｓ１，Ｓ２は、数式で表現すれば、次の式（１）、（２）となる。
【００２２】
【数１】
この無次元のパラメータＸに対して、先に定義した角度のパラメータθ（図２参照）がどのように変化するかを示したのが図７である。Ｘ≧０．８５であれば、θ≧５３度（電気角）となり、ＰＭモータのトルク脈動は図３に示されるように６％以下に低減できることがわかる。また、Ｘ≧０．９であれば、θ≧６２度（電気角）となり、ＰＭモータのトルク脈動は図３に示されるように３％以下に低減できることがわかる。
【００２４】
よって、この実施の形態においては定格負荷時のトルク脈動を３％以下にするために角度のパラメータθが約６５度となるように回転子６の磁極８を着磁している。なお、ラジアル異方性のリング状の磁石は矩形波状に近い波形に着磁することができる。従って、このような角度のパラメータθが約６５度となるように残留磁束密度分布を実現するには、ラジアル異方性のリング形状磁石を磁極８として用いるのが適している。
【００２５】
以上に説明したＰＭモータは、固定子２の相巻線４ａが三相デルタ結線にされる。この場合の相巻線４ａに発生する無負荷誘起電圧は図８（ａ）に示すように、上記角度のパラメータθ≧６２度を満たす波形となっている。なお、参考までに、相巻線４ａをＹ結線とした場合に相巻線４ａに発生する無負荷誘起電圧を図８（ｂ）に示す。デルタ結線とＹ結線とでは、無負荷誘起電圧の波形が異なる。線間電圧としてみたときの波形を比べると、デルタ結線では台形状となり平坦な部分が見られるが、Ｙ結線ではピークがややとがった形状となってしまう。
【００２６】
次に、このＰＭモータを矩形波駆動にて制御した場合について考える。１２０度通電の場合、相電流波形は図９に示すようになり、図９（ａ）はデルタ結線にした場合、図９（ｂ）は同じＰＭモータをＹ結線にした場合であり、波形が異なる。このときのトルク波形も異なり、デルタ結線では図１０（ａ）に示すように脈動が小さいのに対し、Ｙ結線では図１０（ｂ）に示すように大きく脈動する。この場合、Ｙ結線では３０％の脈動成分がみられたが、デルタ結線ではわずか２％程度であった。このように同じ矩形波駆動によって制御しても本発明によりトルク脈動が大幅に改善できることがわかる。
【００２７】
さらに、デルタ結線にしたことで循環電流が発生するが、ＰＭモータの極数Ｐとスロット数Ｎの間に
ｓｉｎ（３πＰ／２Ｎ）＝０ ・・・（３）
なる関係が成立するようにＰおよびＮを選定すると、磁極８が発生する磁束のうち固定子の巻線２ａに鎖交する磁束の空間３次とその整数倍の磁束成分（電気角３６０度を１次とする）をキャンセルすることができる。すなわち、循環電流の原因の１つである無負荷誘起電圧の第３高調波およびその整数倍の次数の高調波が発生しない。これにより、デルタ結線としても循環電流による銅損を低減することができるという効果がある。なお、この実施の形態においては、Ｐ＝４、Ｎ＝６であり、上記式（３）の条件を満足する。循環電流による銅損を低減できるということは電動パワーステアリング装置においては、ロストルクを低減でき良好な操舵フィーリングを得ることができるという効果があるということである。
【００２８】
また、コギングトルクの大小も操舵フィーリングに影響する。本発明のＰＭモータでは、無負荷誘起電圧の波形は図８（ａ）に示すような台形状としている。しかし、このような波形を発生するようにすると回転子６の磁極８の起磁力の高調波が大きくなってしまうため、コギングトルクも大きくなってしまうという問題が生じる。そして、コギングトルクが大きくなると、操舵のフィーリングを損ねないためにＰＭモータが無負荷に近い状態においてトルク脈動（主としてコギングトルクの脈動である）を０．５〜０．２５％以下に抑制するという条件に反するおそれが生じる。
【００２９】
そこで、固定子２のティース３ｂの先端部３ｄに溝状部３ｆを２個設けることによりコギングトルクの脈動を０．２５％以下になるように低減している。図１１にＰＭモータのコギングトルク特性の比較して示す。曲線Ｐが溝状部３ｆを設けない場合のコギングトルク特性、曲線Ｑが本発明によるＰＭモータのコギングトルク特性であり、コギングトルクが大幅に低減されていることがわかる。
【００３０】
なお、このときの溝状部３ｆは、図１２に示すようにティース３ｂの先端部３ｄに設けられた突出部３ｈの固定子鉄心３の径方向の寸法をａ、隣接する突出部３ｈ同士の固定子鉄心３の周方向の間隙寸法をｃ、溝状部３ｆの凹設深さをｂ、ティース３ｄの間隔すなわちスロットの間隔をＷとしたときに、溝状部３ｆの開口幅を上記間隙寸法ｃと同じ値にするとともに、ｃ／Ｗ＝０．０７、ｂ／ａ＝０．４となるように設定したものである。このように固定子２のティース３ｂの先端部３ｄに溝状部３ｆを設けると、等価的にスロット数が増えることになり、極数Ｐとスロット数Ｎの最小公倍数が増加し、大幅にコギングトルクを低減できることは、先に挙げた特許文献１に記載されている。
【００３１】
以上のような構成とすることで、矩形波駆動されたとき負荷時のトルク脈動が小さくなるような波形の無負荷誘起電圧を発生しつつ、コギングトルクも０．２５％以下と大幅に低減することができ、操舵のフィーリングを損なうことがないようにできる。
【００３２】
実施の形態２．
図１３〜図１５は、この発明の他の実施の形態を示すものであり、図１３はスキューされた磁極を有する回転子の構成を示す断面図、図１４はスキュー角と定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動の関係を示す説明図、図１５は無負荷誘起電圧の波形を示す波形図である。実施の形態１において、負荷時のトルク脈動を低減するとともにコギングトルクを大幅に低減して、操舵のフィーリングを損ねないようしたものを示した。
【００３３】
さらに、回転子や固定子にスキューを施すことにより、コギングトルクの脈動の原因となる磁極の起磁力の高調波やトルク脈動の原因となる固定子巻線に流れる電流がつくる起磁力高調波を打ち消すことができる。この実施の形態においては、コギングトルクをさらに低減するために、円筒状の永久磁石材をラジアル方向にＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓの４極にスキューさせて着磁して、図１の磁極８と同様の波形の無負荷誘起電圧を誘起するようにしたものである。
【００３４】
図１３において、回転子２６の磁極２８は、継鉄ブロック７の外周に嵌着された円筒状の永久磁石材を図１３に示すように回転子の軸方向に沿って図１３の上方へ行くに従って反時計方向にずらしてかつＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓの４極が周方向に密接するように着磁して、図１の磁極８と同様の波形の無負荷誘起電圧を誘起するようにしたものである。
【００３５】
なお、円筒状の永久磁石材は、着磁の位置を回転子２６の軸方向に沿って回転子２８の周方向にずらすだけで容易にスキューされた磁極２８を形成することができる。また、磁石の配向についてはラジアル方向に配向された磁石を用いれば無負荷誘起電圧波形を台形波により近づけることができる。この実施の形態では、固定子２のティース３ｂに対して回転子２６の磁極２８のスキュー角度を約２０度とした。その理由を、以下に説明する。
【００３６】
まず、スキュー角が大きすぎると無負荷誘起電圧に含まれる高調波成分が小さくなり、正弦波状の波形に近づく。つまり、スキュー角が大きすぎると、矩形波駆動されたときにトルク脈動が大きくなってしまう。また、コギングトルクの低減の観点からはスキュー角は大きい方が望ましい。つまり、スキューに関してはトルク脈動の低減とコギングトルクの低減とは相反する特性を有している。
【００３７】
そこで、スキュー角と定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動の関係を求めて図示したのが図１４である。図１４において、横軸はスキュー角ζを電気角で表し、左の縦軸はトルク脈動をモータの定格トルクに対する割合として％値で示し、右の縦軸はコギングトルクの脈動をモータの定格トルクに対する割合として％値で示している。図１４において、曲線ＰＲが定格負荷時のトルク脈動を表しているが、スキュー角ζがある一定範囲すなわち約３３度を超えるとスキュー角の増加に比例してトルク脈動が大きくなるという傾向がみられる。
【００３８】
そして、図１４から、
スキュー角ζ≦４７度（電気角）
としたときには、トルク脈動が６％以下となり、
スキュー角ζ≦３３度（電気角）
としたときには、３％以下となっている。
【００３９】
なお、スキュー角ζによる無負荷誘起電圧（線間電圧）の波形を図１５に示す。図１５（ａ）はスキュー角ζを１０度としたときの無負荷誘起電圧の波形を、図１５（ｂ）はスキュー角ζを２０度としたときの無負荷誘起電圧の波形を示すが、いずれの場合も平坦部（図２における角度のパラメータθの部分）が十分な大きさになっている。従って、定格負荷時のトルク脈動の低減の点からは、電動パワーステアリング用モータにおいては、スキュー角ζ≦４７度（電気角）とすればよく、より望ましくはζ≦３３度（電気角）とするのがよい。
【００４０】
一方、無負荷に近い状態において問題となるコギングトルクについては、図１４において曲線ＣＴがコギングトルクの脈動を表しているが、より、
スキュー角ζ≧４度（電気角）
としたときには、トルク脈動が０．５％以下となり、
スキュー角ζ≧２０度（電気角）
としたときには、０．２５％以下となっている。
【００４１】
従って、上記両者を満足するようにスキュー角ζは、
４度（電気角）≦ζ≦４７度（電気角）
に、より望ましくは
２０度（電気角）≦ζ≦３３度（電気角）
の範囲に選ぶ。
以上のような理由により、この実施の形態においてはスキュー角ζを約２０度とし、定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動がともに上記適正範囲に入るようにしている。
【００４２】
スキュー角ζが小さいと、筒状の永久磁石材を使用する場合は磁極８の着磁が容易であり、セグメント状の永久磁石にて継鉄ブロック７の外周部に円筒状になるように配設する場合は、セグメント状の永久磁石の形状が大きくねじれた状態にならないのでその製作が容易である。また、スキュー角ζが小さいと、巻線係数が大きくなり磁石の磁束を有効に利用できるため、出力トルクが大きくなるという効果もある。
【００４３】
ところで、固定子２と回転子６との間でスキューを行うことは、例えば特開平１０−４２５３１号公報に開示されている。この特開平１０−４２５３１号公報に記載された５／６スロットピッチスキュー（本発明のスキュー角ζに相当）は、電気角１００度に相当する。磁石の磁束をどれだけ有効利用しているかの目安となる巻線係数で比較すると、従来例のスキュー角ζが１００度の場合は０．８７８であるのに対し、この発明においてスキュー角ζを４７度とすれば巻線係数は０．９７２と従来のものよりも１０％以上も大きく、スキュー角ζを３３度とすれば巻線係数が０．９８６となり、従来例より１２％以上も大きくなる。
【００４４】
以上のように、この発明においては磁極８の磁束を有効に利用していることは明らかである。また、トルクの大きさも巻線係数にほぼ比例するため、本発明では従来例よりトルクが大きくなるという効果がある。
【００４５】
なお、コギングトルクをさらに低減するためには、スキュー角ζをコギングトルクの周期の整数倍とすればよい。ＰＭモータの極数をＰ、スロット数をＮ、各ティース３ｂの溝状部３ｆの数をｎとし、（ｎ＋１）ＮとＰの最小公倍数をＭとしたとき、コギングトルクの周期は１８０Ｐ／Ｍ度（電気角）となる。従って、１８０Ｐ／Ｍ度（電気角）の整数倍だけスキューすればコギングトルクをより大幅に低減できるという効果がある。この実施の形態では、最小公倍数Ｍは３６であり、スキュー角は２０度となるので、スキュー角を２０度とすれば、一層コギングトルクを小さくできる。
【００４６】
なお、以上では回転子２６にスキューを施した例を示したが、固定子２（図１）にスキューを施しても、あるいは、固定子および回転子双方にスキューを施しても同様の効果が得られることは言うまでもない。固定子２は、一般的に薄い板状の電磁鋼板を積層して形成されているが、電磁鋼板を固定子２の軸方向に積層するときにティース３ｂを構成することになる突出部を周方向に少しずつずらしながら積層することにより容易にティースをスキューすることができる。
【００４７】
また、本実施の形態においては、回転子２６の磁極２８は円筒状の永久磁石材料を上記のような残留磁束密度分布を有する磁極が形成されるように着磁したものを示したが、磁極は各磁極が周方向に分離した円弧状で軸方向に捻れた４個の永久磁石によって形成されスキューを施されたものであってもよい。さらに、本実施の形態においては、スキューを施す方向が一方向であるものについて説明したが、スキューを施す周方向の向きを軸方向の中央部付近で反転させるいわゆるＶ型スキューでもよいことは言うまでもない。
【００４８】
実施の形態３．
図１６〜図１９は、さらにこの発明の他の実施の形態を示すものであり、図１６は回転子の極数と固定子のスロット数との可能な組み合わせ例を示す図、図１７〜図１９はそれぞれ別のＰＭモータの構成を示す断面図である。以上の実施の形態においては、ＰＭモータは４極６スロットである場合について述べたが、図１６に示すような回転子の極数Ｐと固定子のスロット数（ティース数）Ｎとの様々な組み合わせであっても同様の効果を奏する。なお、このとき上記式（３）のｓｉｎ（３πＰ／２Ｎ）＝０の条件が満たされるので、固定子巻線をデルタ結線にしたときの循環電流を小さくできる。
【００４９】
また、図１７に示すように、固定子２２における固定子巻線２４の相巻線２４ａは、コイル２５がティース３ｂに１つにだけ巻き回されたものであってもよい。この場合、各相巻線２４ａはおのおの一つのコイル２５で構成される。さらに、溝状部の数についても、図１のように各ティース３ｂに２個設ける場合のみならず、例えば図１８に示すように固定子３２における内周部３３ｅを形成する固定子鉄心３３の各ティース３３ｂの先端部３３ｄに４個づつの溝状部３３ｆを設けてもよい。先端部３３ｄは図１に示した先端部３ｄと同様に周方向に両側に突設された突設部３３ｈを有している。なお、図１８に示したＰＭモータは、９個のティース３３ｂにて９つのスロット３３ｃが形成された６極９スロットのものである。
【００５０】
さらに、溝状部３ｆや３３ｆは必ずしも等間隔に並ぶ必要もなく、開口幅や深さもこの発明の目的を損なわない範囲で任意に形成することができる。また、極数も図１６に示したような組み合わせが考えられ、例えば図１９に示すように固定子４６を８極の磁極を有するものにし、８極６スロットにて構成することもできる。
【００５１】
また、以上の各実施の形態においては、電機子が固定子となる回転界磁型の回転電機としてのＰＭモータについて説明したが、これに限られるものではなく、回転電機子型のものにも同様に適用可能である。回転電機子型の一例としてアウタロータ型で構成した場合、回転する電機子鉄心のティースは円筒状の外周部を形成するように放射状に設けられ、界磁の永久磁石式のＮ、Ｓ各極は円筒状の内周部を構成するように内方に向かって放射状に設けられる。
【００５２】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、
電機子と界磁とを有するものであって、
電機子は電機子鉄心と電機子巻線とを有し、
電機子鉄心は環状の継鉄部とティースとを有し、
ティースは、継鉄部の軸方向と直交する方向であって継鉄部の内周部から内方向へ突設された内方向端部又は外周部から外方向に突設された外方向端部を有し、内方向端部又は外方向端部に継鉄部の軸方向に延在する溝を形成する溝状部を有し、
電機子巻線は、ティースに集中巻きされたコイルを有する相巻線が三相デルタ結線されたものであり、
界磁は、永久磁石にて形成され円筒状の外周部又は内周部を形成するように配設された複数の磁極を有し、
電機子鉄心のティースと界磁の磁極との間にスキューが施されたものであって、そのスキュー角は電気角でほぼ４度以上で４７度以下、より好ましくは２０度以上で３３度以下であり、
電機子及び界磁のうちの一方が固定され、界磁は磁極がティースの内方向端部又は外方向端部に対向するとともに電機子と相対回転可能に配設され、磁極は相巻線の無負荷誘起電圧の波形が無負荷誘起電圧のピーク値から５％低下した第１及び第２の点を定義したとき第１及び第２の点の間の電気角θがほぼ５３度以上、より望ましくは６２度以上である台形状となるようにされたものであり、
電機子巻線に矩形波電圧が印加されるものであるので、
小形軽量化が可能で、かつ滑らかなステアリング感覚を損ねることない電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の一形態であるＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図２】 図１のＰＭモータの無負荷誘起電圧を示す説明図である。
【図３】 角度のパラメータθとトルク脈動の関係を示す図である。
【図４】 磁極の残留磁束波形を示す波形図である。
【図５】 線間無負荷誘起電圧の比較を示す波形図である。
【図６】 無次元のパラメータＸの説明図である。
【図７】 無次元のパラメータＸと角度のパラメータθとの関係を示す図である。
【図８】 デルタ結線の場合とＹ結線の場合における無負荷誘起電圧波形を示す波形図である。
【図９】 デルタ結線の場合とＹ結線の場合における相電流波形を示す波形図である。
【図１０】 デルタ結線の場合とＹ結線の場合における図１のＰＭモータのトルク脈動を示す図である。
【図１１】 従来のものと図１のＰＭモータのコギングトルクを比較して示す図である。
【図１２】 ティースとティースに設けられた溝状部の寸法との関係を定義するための説明図である。
【図１３】 この発明の他の実施の形態であるスキューされた磁極を有する回転子の構成を示す断面図である。
【図１４】 スキュー角と定格負荷時のトルク脈動及びコギングトルクの脈動の関係を示す説明図である。
【図１５】 無負荷誘起電圧の波形を示す波形図である。
【図１６】 さらにこの発明の他の実施の形態である回転子の極数と固定子のスロット数との可能な組み合わせ例を示す図である。
【図１７】 この発明の別のＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図１８】 さらに、この発明の別のＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図１９】 さらに、この発明の別のＰＭモータの構成を示す断面図である。
【図２０】 電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータにおいてモータトルクと要求されるトルクリップルの制限値との関係を示す図である。
【符号の説明】
２ 固定子、３ 固定子鉄心、３ｂ ティース、３ｃ スロット、
３ｆ 溝状部、４ 固定子巻線、４ａ 相巻線、５ コイル、６ 回転子、
８ 磁極、２２ 固定子、２４ 固定子巻線、２４ａ 相巻線、２５ コイル、
３２ 固定子、３３ 固定子鉄心、３３ｂ ティース、３３ｃ スロット、
３３ｆ 溝状部、３４ 固定子巻線、３４ａ 相巻線、３５ コイル、
３６ 回転子、３８ 磁極、４６ 回転子、４８ 磁極。
Claims (5)
- 電機子と界磁とを有するものであって、
上記電機子は電機子鉄心と電機子巻線とを有し、
上記電機子鉄心は環状の継鉄部とティースとを有し、
上記ティースは、上記継鉄部の軸方向と直交する方向であって上記継鉄部の内周部から内方向へ突設された内方向端部又は外周部から外方向に突設された外方向端部を有し、上記内方向端部又は上記外方向端部に上記継鉄部の上記軸方向に延在する溝を形成する溝状部を有し、
上記電機子巻線は、上記ティースに集中巻きされたコイルを有する相巻線が三相デルタ結線されたものであり、
上記界磁は、永久磁石にて形成され円筒状の外周部又は内周部を形成するように配設された複数の磁極を有し、
上記電機子鉄心の上記ティースと上記界磁の上記磁極との間にスキューが施されたものであって、そのスキュー角は電気角でほぼ４度以上で４７度以下、より好ましくは２０度以上で３３度以下であり、
上記電機子及び上記界磁のうちの一方が固定され、上記界磁は上記磁極が上記ティースの上記内方向端部又は上記外方向端部に対向するとともに上記電機子と相対回転可能に配設され、上記磁極は上記相巻線の無負荷誘起電圧の波形が無負荷誘起電圧のピーク値から５％低下した第１及び第２の点を定義したとき上記第１及び第２の点の間の電気角θがほぼ５３度以上、より望ましくは６２度以上である台形状となるようにされたものであり、
上記電機子巻線に矩形波電圧が印加されるものである電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ。 - 上記磁石は、その残留磁束密度の上記界磁の上記相対回転可能な方向の残留磁束の分布波形である残留磁束密度波形について所定の位置から電気角で１８０度離れた位置まで積分した積分値Ｓ１と上記残留磁束密度波形が理想的矩形波であるとして上記所定の位置から電気角で１８０度離れた上記位置まで積分した別の積分値Ｓ２によってパラメータＸをＸ＝Ｓ１／Ｓ２と定義したとき、Ｘが０．８５以上となるようにされたものであることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ。
- 上記各ティースにｎ個（ｎは整数）の溝状部を設け、上記界磁の磁極数をＰ、上記電機子のスロット数をＮとし、上記磁極数Ｐと（ｎ＋１）Ｎとの最小公倍数をＭとしたとき、上記スキュー角を１８０Ｐ／Ｍ度（電気角）の整数倍としたことを特徴とする請求項２に記載の電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ。
- 上記界磁の磁極数をＰ、上記電機子のスロット数をＮとしたとき、上記磁極数Ｐと上記スロット数Ｎとに、ｓｉｎ（３πＰ／２Ｎ）＝０（πは円周率）なる関係が成り立つようにされたものであることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ。
- 上記磁極は、円弧状の磁性材を着磁して形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置用永久磁石型モータ。
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