JP4652382B2 - 電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータ - Google Patents

Description

この発明は永久磁石型ブラシレスモータに関するものであり、特に自動車等の電動パワーステアリング装置に用いられる電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータにおいて、コギングトルク低減と回転子に発生する渦電流損の低減を両立することに関するものである。

図１５は自動車等の電動パワーステアリング装置の概念図である。ステアリングホイール３１からの操舵力をコラムシャフト３２が伝えウォームギヤ３３（図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している）がモータ３４の出力（トルク、回転数）を回転方向を直角に変えながら伝達し、同時に減速し、アシストトルクを増加させる。またハンドルジョイント３５は操舵力を伝えると共に、方向も変える。ステアリングギヤ３６（図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している）はコラムシャフト回転を減速し、同時にラック３７の直線運動に変換し、所要の変移を得る。このラック３７の直線運動により車輪を動かし、車両の方向転換等を可能とする。

このような電動パワーステアリング装置では、モータ３４にて発生するトルクの脈動がウォームギヤ３３とコラムシャフト３２を介して、ステアリングホイール３１に伝達される。従って、モータ３４が大きなトルク脈動を発生する場合、良好な操舵フィーリングを得ることが出来ない。また、モータ３４がアシストするためのトルクを発生しない状態においても、モータが大きなコギングトルクを発生するものであれば、滑らかな操舵フィーリングを得ることが出来ない。

なお、ここではコラムシャフト３２をモータ３４のトルクによってアシストするコラムアシスト式の電動パワーステアリング装置を示したが、ラックを電動機のトルクによってアシストするラックアシスト式の電動パワーステアリング装置においても同じことがいえる。

特開２００１−２１８４３９号公報 特開２０００−２３６６５２号公報 特許第２９５４５５２号公報 特許第２７４３９１８号公報 特公平８−８７６４号公報 特開２００１−２７５３２５号公報

このような電動パワーステアリング装置には、従来よりブラシ付直流モータがよく用いられていた。しかしながら、中型車、大型車に電動パワーステアリングに適用するには小型高出力とすることができる永久磁石型ブラシレスモータが有利である。そして、電動パワーステアリング装置にこの永久磁石型ブラシレスモータを適用するためにはコギングトルクなどに起因するトルク脈動の低減が大きな課題であった。

電動パワーステアリング装置用の永久磁石型ブラシレスモータとして上記特許文献１には固定子巻線が波巻となるもので回転子の極数が６、固定子の溝数が１８のブラシレスモータが開示されている。しかしながら、このような極数と溝数の組み合わせのモータにおいては、波巻や重ね巻など複数の固定子ティースにまたがって巻線を巻回する必要がありコイルエンドが大きくなり、モータの軸長が大きくなり、コイルエンドが大きいゆえに銅損が大きくモータの効率が低下するという課題があった。

一方、コイルエンドを小さくする巻線としては固定子の１つのティースに集中的に巻線が巻き回されるいわゆる集中巻のモータがある。ティースに集中巻されたモータの例としては、上記特許文献２に回転子の極数が６、固定子の溝数が９の磁石埋め込み型および表面磁石型の例が開示されている。しかしながら、ここで開示されているモータのように従来から良く用いられている極数と溝数の比が２：３のブラシレスモータは一般にコギングトルクが大きい。そのため、このモータを電動パワーステアリング装置に組みこんだ場合コギングトルクが原因により、良好な操舵フィーリングが得られない。すなわち、従来から良く用いられている極数と溝数の比が２：３のブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置用モータとして適していないものであった。

これに対し、上記特許文献３〜５には、低コギングトルクを実現するよう様々な極数と溝数の組み合わせについて開示されている。これらに開示された極数、溝数の組み合わせを用いれば電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータとして適切なものが得られた。

しかしながら、後述するように極数と溝数の組み合わせによっては、電機子起磁力の非同期成分が大きく異なるため上記起磁力に起因して回転子に渦電流損が発生する。また、極数と溝数の組み合わせにより回転子に発生する渦電流損の大きさが異なり、回転子の温度上昇にも差がでる。そして、回転子の温度が上昇するとそれに伴い永久磁石の温度も上昇することとなり、不可逆減磁に至る場合もあるという課題があった。

また、不可逆減磁に至らなくとも磁石の温度上昇によって残留磁束密度が低下し、磁石の発生する磁束が減少し、結果としてトルクが低下するという課題があった。

さらにまた、温度上昇がない場合と同じトルクを発生するためには、多くの電機子電流を必要とし銅損が増加し固定子の温度上昇も招くという課題もあった。特にエネルギー積の高い希土類系の磁石は導電率が高いため、渦電流が流れやすく、また、磁石保持のためにステンレス系のリングを磁石と空隙の間に設ける場合などはさらに渦電流が発生しやすく、発熱が課題であった。

一方、電動パワーステアリング装置用モータとして上記特許文献６に開示されているものがある。このモータは極数が８溝数が９のブラシレスモータであり、コギングトルクが小さいものの、溝数／極数が既約分数（分母と分子に１以外の公約数がなくて約分することができない分数）となり、モード１（空間次数１）の電磁加振力すなわち回転子を偏心させる加振力が定常的に発生する。このため、軸受けの寿命が短くなり、偏心によりトルク脈動が大きくなり、さらには振動、騒音が大きくなるという課題があった。

また、極数が８、溝数が９の倍数の場合も開示されているが、既約分数とならない場合、例えば極数が８で、溝数が７２や１２８の場合は溝数が多すぎて工作性に欠けるため量産には向かない。したがって、電動パワーステアリング装置用モータとしては現実的でないという課題もあった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、極数と溝数を適切に選定することにより、低トルク脈動と回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、回転子の発熱を抑制することで磁石の減磁や残留磁束密度の低下を防ぐことができる電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータを得ることを目的としている。さらに、回転位置センサの低コスト化を図り、回転位置センサの検出位置誤差に起因するトルク脈動を低減できる電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータを得ることを目的としている。

この発明は、電動パワーステアリング装置に用いられ、正弦波駆動で制御される永久磁石型ブラシレスモータであって、回転軸、及び該回転軸回りに設けられ複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する表面磁石型の回転子、該回転子の回転位置を検出するバリアブル・リラクタンス型レゾルバと、回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され隣り合うティース間に巻線用の溝が形成された固定子鉄心、及び該ティースに集中的に巻回された電機子巻線とを有する固定子とを備え、回転子の磁極の数をＰ、固定子のティース間の溝数をＮとしたとき、
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２
であり、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でなく、
Ｎ／Ｐ＝１．１２５であって、
Ｎ＝１８かつＰ＝１６であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータにある。
また、電動パワーステアリング装置に用いられ、正弦波駆動で制御される永久磁石型ブラシレスモータであって、回転軸、及び該回転軸回りに設けられ複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する表面磁石型の回転子、該回転子の回転位置を検出するバリアブル・リラクタンス型レゾルバと、回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され隣り合うティース間に巻線用の溝が形成された固定子鉄心、及び該ティースに集中的に巻回された電機子巻線とを有する固定子とを備え、回転子の磁極の数をＰ、固定子のティース間の溝数をＮとしたとき、
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２
であり、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でなく、
Ｎ／Ｐ＝１．２０であって、
Ｎ＝１２かつＰ＝１０であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータにある。

この発明では、極数と溝数を適切に選定することにより、低トルク脈動と回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、回転子の発熱を抑制することで磁石の減磁や残留磁束密度の低下を防ぐことができる電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータを提供できる。さらに、回転位置センサの低コスト化を図り、回転位置センサの検出位置誤差に起因するトルク脈動を低減できる電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータを提供できる。

実施の形態１．
本発明の実施の形態の説明に入る前に、永久磁石型ブラシレスモータにおける回転子の渦電流損の発生メカニズムについて考えることにする。電機子巻線に流れる電流によって発生する回転磁界が回転子と同期することにより回転子に定常的なトルクが発生し回転子は回転する。回転子と同期した回転磁界は回転子に固定した座標系で見ると静止している。静止して見えるということは磁束の変化を生じないことであるから、回転子に渦電流損を発生させる原因とはならない。

しかしながら、電機子電流の発生する回転磁界には回転子と同期しない成分が存在する。例えば回転子と逆方向に回転する磁界が存在する。このような回転子と同期しない成分は回転子に固定した座標系から見れば静止していないので、磁束を変化させる作用を持っている。この磁束の変化を打ち消そうと回転子に渦電流が発生する。

電機子電流が発生させる回転磁界の中で、回転子と同期しない成分の振幅や空間次数は、極数と溝数で異なる。固定子巻線が集中巻の場合に、電機子電流によってどのような回転磁界が発生するかを図１から図５に示す。極数をＰと溝数をＮとしたとき、図１はＮ／Ｐ＝１．５のときの回転磁界の成分を示すグラフである。同じく、図２はＮ／Ｐ＝１．２のとき、図３はＮ／Ｐ＝１．１２５のとき、図４はＮ／Ｐ＝０．９のとき、図５はＮ／Ｐ＝０．７５のときの回転磁界の成分を示すグラフである。各々の図において、横軸は空間次数を示し、電気角３６０度を１次としている。縦軸は回転磁界の振幅を示し、同期成分すなわち基本波を１として規格化して示している。各図において回転磁界の振幅が正のときには回転子と同じ方向に回転する磁界すなわち正相の回転磁界である。一方、振幅が負のときは回転子と逆方向に回転する回転磁界すなわち逆相の回転磁界であることを示している。逆相の回転磁界はもちろんすべて非同期成分である。また、正相の回転磁界の中でも空間１次の回転磁界以外は、回転子に固定した座標系から見ると静止した磁界ではないためすべて非同期成分となる。

図１から図５において、電機子電流によって発生する回転磁界が極数と溝数の組み合わせによって異なることがわかる。特に、極数Ｐと溝数Ｎの比Ｎ／ＰがＮ／Ｐ＜１のときには、同期成分よりも大きな振幅を持った非同期成分が存在することが見てとれる。例えば、Ｎ／Ｐ＝０．９のときには空間４／５次に振幅１．２５の非同期成分が存在し、Ｎ／Ｐ＝０．７５のときには空間１／２次に振幅２．０の非同期成分が存在する。このように同期成分より大きな非同期成分を持った場合には、同期成分よりも大きな非同期成分を持たない（Ｎ／Ｐ＞１のとき）ときに比べて回転子に発生する渦電流損が大きくなると考えられる。

そこで、回転子に発生する渦電流損が極数Ｐ、溝数Ｎによってどのように変化するかを知るために、いろいろな組み合わせの永久磁石型ブラシレスモータを設計し、有限要素法を用いた磁界解析によって回転子の渦電流損を算出した。設計した５種類の永久磁石型ブラシレスモータの極数Ｐ、溝数Ｎ、Ｎ／Ｐを図６に示す。また、それぞれのモータの固定子、回転子の断面図を図７から図１１に示す。

図７から図１１において、永久磁石型ブラシレスモータの固定子１０は、固定子鉄心１１と電機子巻線１２とを有している。固定子鉄心１１は、概略円筒形をなし、中心軸方向に複数のティース１１ａが突設され、隣り合うティース１１ａ間に巻線用の溝１１ｂが形成されている。電機子巻線１２は、固定子鉄心１１の各ティース１１ａに集中的に巻き回されたいわゆる集中巻とされている。ここで、集中巻とは、ある一つのティース１１ａに連続して導線が複数回巻き回されて該ティース１１ａに対するコイルが形成された構成となっている場合を言う。他のティース１１ａにも同様に導線が複数回巻き回されてこのティース１１ａに対するコイルが形成され、これら各コイルを並列あるいは直列に接続して複数相（例えば３相）の電機子巻線１２が形成される。

一方、回転子２０は、回転軸２１と回転軸２１の軸回りに周方向に全周にわたって設けられた複数の永久磁石２２とからなる。この永久磁石２２は交互に異なる複数の複数の磁極を構成するように着磁されている。なお、本実施の形態では全体でリング形状をなす磁石２２について示しているが、各磁極２２が独立した別々の磁石で構成されていてもよいし、回転子２０の回転子鉄心に埋め込まれた構造であってもよい。

各図に示したモータにおいて回転子２０と固定子１０の径は等しく設計している。すなわち、回転子２０の外径（直径）を４０ｍｍ、固定子１０の外径（直径）を８０ｍｍとした。また軸長、定格電流値は同じにしている。これは、極数と溝数の組み合わせを変えても、出力が同じモータで比較できるようにするためである。さらに、固定子１０の溝１１ｂによるパーミアンスの影響がほぼ同じになるように溝１１ｂの開口幅は同じとし、通常よりも小さめに設計している。溝１１ｂによるパーミアンスの影響は渦電流損や後述するコギングトルクに影響を与えるので同じ条件で設計して比較する必要があるからである。

この５種類の永久磁石型ブラシレスモータの回転子２０に発生する渦電流損の解析結果を図１２に示す。なお、この結果はモータが２０００ｒｐｍで回転しており、電機子巻線１２に定格電流が通電されているときの回転子２０に発生する渦電流損である。また、渦電流損の値は出力に対する割合を％値で示している。図１２から、回転子２０で発生する渦電流損はモータの溝数Ｎと極数Ｐの比Ｎ／Ｐに大きく依存することがわかる。また、これまで述べてきたように、電機子電流がつくる回転磁界の非同期成分の中に同期成分より大きな振幅のものを含むＮ／Ｐ＜１のときには、Ｎ／Ｐ＞１のときに比べて渦電流損が大きくなっていることが明らかになった。したがって、電動パワーステアリング装置用の永久磁石型ブラシレスモータを設計する際には、極数Ｐと溝数Ｎの比Ｎ／Ｐについて
Ｎ／Ｐ＞１ （１）
なる関係式が成立するように選定すれば、電機子電流がつくる回転磁界の非同期成分に同期成分より大きな成分が含まれないため回転子２０に発生する渦電流損を低減でき、磁石の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果があることがわかる。

これまでの検討により、回転子２０に発生する渦電流損は永久磁石型ブラシレスモータの極数Ｐと溝数ＮについてＮ／Ｐ＞１となるように選定すれば低減できることがわかった。しかしながら、電動パワーステアリング装置用の永久磁石型ブラシレスモータは、そのトルク脈動を小さくしないと良好な操舵フィーリングが得られない。したがって、トルク脈動の原因となるコギングトルクを低減する必要がある。そこで、図６に示す５種類のブラシレスモータについてコギングトルクを求めた。結果を図１３に示す。横軸はモータの溝数Ｎと極数Ｐの比Ｎ／Ｐであり、縦軸はコギングトルクの定格トルクに対する割合を％値で示している。

電動パワーステアリング装置用モータは、一般的は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そのトルク脈動を定格トルクの２％程度以下にすればよいというのが目安になる。図１３の結果からコギングトルクを定格トルクの２％以下に低減するには、極数Ｐと溝数Ｎについて
０．８５＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （２）
とすればよいことがわかる。すなわち、トルク脈動の小さい電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータを得るためには、ブラシレスモータの極数Ｐと溝数Ｎが式（２）をみたせばよい。

これまでの検討結果から、式（１）（２）を同時にみたすとき、すなわち極数Ｐと溝数Ｎが
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （３）
をみたす関係にあるとき、回転子２０の渦電流が小さく、かつトルク脈動の小さい電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータを得ることができるのである。

ただし、式（３）を満たすだけでは電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータとしてふさわしくない場合がある。分数Ｎ／Ｐが既約分数のときには、モード１の電磁加振力すなわち回転子２０を偏心させる向きの加振力が定常的に存在する。この原因について説明しておく。分数Ｎ／Ｐが既約分数でない場合には、モータ内部の磁束密度分布に対称性が現れ、その結果電磁力は釣合いがとれる。例えば極数６、溝数９のモータでは２極分で磁束密度分布に対称性をもっている。すなわちこの場合、機械角１２０度で磁束密度に対称性をもっていることになり、電磁力も機械角１２０度離れた点で釣合いがとれるので、電磁力を周方向に積分した値がゼロとなる。その結果、モード１の電磁加振力は発生しない。ところが、極数８、溝数９の場合には分数Ｎ／Ｐが既約分数になり、対称性を持たない。つまり、電磁力を周方向に積分してゼロにならないため、モード１の電磁加振力が発生するのである。

このように分数Ｎ／Ｐが既約分数になる組み合わせを選ぶと、常に回転子２０を偏心させる方向に加振力が発生するので軸受けの寿命が短くなるとともに、偏心によってトルク脈動が大きくなり、良好な操舵フィーリングを得られないだけでなく、振動騒音も大きくなるのである。既に述べたように、例えばＰ＝８，Ｎ＝９がそれにあたる。Ｐ＝８，Ｎ＝９の場合と同じくＮ／Ｐ＝１．１２５となる場合でもＰ＝２４，Ｎ＝２７のときには分数Ｎ／Ｐは２７／２４となり既約分数にはならないため、モード１の加振力は発生しない。

したがって、式（３）を満たすとともに分数Ｎ／Ｐが既約分数でないときに、回転子２０の渦電流が小さく、かつトルク脈動の小さい電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータを得ることができるのである。

以上により、電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータにおいて、永久磁石２２による複数の磁極を有する回転子２０と電機子巻線１２がティース１１ａに集中的に巻き回された固定子１０とを有し、上記回転子２０の磁極の数をＰ、上記固定子の溝数をＮとしたとき、
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （３）
をみたし、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でないような構成にすることにより、低コギングトルクと回転子２０の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングを得られると同時に、磁石２２の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。また、モード１の電磁加振力すなわち回転子２０を偏心させる加振力が存在しないため軸受けの寿命が延びるという効果があるだけでなく、偏心によるトルク脈動が小さいので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もある。

なお、本実施の形態では回転子２０の磁石保持のための導電性のリングを設けない場合について述べたが、磁石保持用のリング（例えばステンレス系の金属でできたリング）に発生する渦電流損もこれまで述べたメカニズムと同様のメカニズムで発生するため、磁石保持のための導電性のリングを設けた場合でも本実施の形態と同様の効果が得られることはいうまでもない。

実施の形態２．
図１４はこの発明の電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータの一例を示す断面図である。本実施の形態は、１６極１８スロットの例を示す。極数Ｐと溝数Ｎが
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （３）
をみたし、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でない場合の一例で、Ｎ／Ｐ＝１．１２５の場合を示す。このような構成としたときには、電機子電流が作る回転磁界の非同期成分の中に同期成分の振幅を越えるものがなく、回転子２０の渦電流が低減でき、かつコギングトルクが小さいという効果がある。さらに分数Ｎ／Ｐが既約分数でないのでモード１の電磁加振力が発生しないので、軸受けの長寿命化に寄与し、回転子２０の偏心によるトルク脈動の増大やそれにともなう、振動、騒音の増大を防ぐことができるという効果もある。

さらに、回転子２０の磁石の作る空隙磁束をいかに有効活用しているかの指標として、巻線係数がある。この巻線係数が高いほど、磁石の作る空隙磁束を有効活用しており、効率のよいモータであるといえる。従来例である上記特許文献２の回転子２０の極数が６、固定子１０の溝数が９の例では、この巻線係数が０．８６６であるのに対し、Ｎ／Ｐ＝１．１２５とした場合には、巻線係数が０．９４５と高く、効率のよいモータを構成できるという効果もある。

さらに、Ｎ／Ｐ＝１．１２５で分数Ｎ／Ｐが既約分数でない組み合わせは種々考えられる。Ｐ＝２４，Ｎ＝２７、Ｐ＝３２，Ｎ＝３６などがある。このうち、もっとも極数が小さい組み合わせがＰ＝１６，Ｎ＝１８とした図１４の場合である。極数が少ない方が電動パワーステアリング装置用ブラシレスモータとして適切であることを説明する。

ブラシレスモータを正弦波駆動で制御する場合には、回転子位置に応じた位相で電流を通電しないと所望のトルクが得られない。回転位置センサの精度が低下し、正確な回転子位置が把握できないと誤った位相で電流を通電することになり、所望のトルクとは異なったトルクを発生してしまう。また、バリアブル・リラクタンス型レゾルバのような回転位置センサではその誤差は回転位置に対して周期的な変動を有している。したがって、この誤差が大きいと発生するトルクが一定ではなく回転子２０の位置に応じて周期的に変動し、トルク脈動となって現れる。このトルク脈動は操舵フィーリングの低下を招き、電動パワーステアリング装置としては性能低下につながる。誤差は電気角で判断するため、極数が大きいほど誤差を電気角で表した値が大きくなっていく。したがって、極数が小さいほど回転センサの誤差を小さくできるので、電動パワーステアリング装置用モータとして適しているといえるのである。

よって、本実施の形態で示した、Ｐ＝１６、Ｎ＝１８のモータは極数Ｐと溝数Ｎが
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （３）
をみたし、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でない構成としたので、低コギングトルクと回転子２０の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングを得られると同時に、磁石２２の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。また、モード１の電磁加振力すなわち回転子２０を偏心させる加振力が存在しないため軸受けの寿命が延びるという効果があるだけでなく、偏心によるトルク脈動が小さいので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もある。

さらにＮ／Ｐ＝１．１２５をみたすものの中では最も極数の小さい組み合わせであるから、光学式エンコーダのような高価なセンサを用いることなく、バリアブル・リラクタンス型レゾルバのような安価なセンサを用いることができるので回転位置センサのコストを低減できるという効果がある。また回転位置センサの位置検出精度が悪化することにより回転子位置を正確に判断することができず、電機子電流の通電位相がずれて発生するトルク脈動を低減できるという効果もある。

なお、本実施の形態では回転子２０の磁石保持のための導電性のリングを設けない場合について述べたが、磁石保持用のリング（例えばステンレス系のリング）に発生する渦電流損もこれまで述べたメカニズムと同様のメカニズムで発生するため、磁石保持のための導電性のリングを設けた場合でも同様の効果が得られることはいうまでもない。

実施の形態３．
この発明の電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータの他の例を説明する。本実施の形態では、極数Ｐと溝数Ｎが
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （３）
をみたし、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でない場合の一例として、Ｎ／Ｐ＝１．２の例（１０極１２スロットの例）を示す。図８が本実施の形態にあたる。このような構成としたときには、電機子電流が作る回転磁界の非同期成分の中に同期成分の振幅を越えるものがなく、回転子２０の渦電流が低減でき、かつコギングトルクが小さいという効果がある。さらに分数Ｎ／Ｐが既約分数でないのでモード１の電磁加振力が発生しないので、軸受けの長寿命化に寄与し、回転子２０の偏心によるトルク脈動の増大やそれにともなう、振動、騒音の増大を防ぐことができるという効果もある。

さらに、回転子２０の磁石の作る空隙磁束をいかに有効活用しているかの指標として、巻線係数がある。この巻線係数が高いほど、磁石の作る空隙磁束を有効活用しており、効率のよいモータであるといえる。従来例である上記特許文献２の回転子の極数が６、固定子の溝数が９の例では、この巻線係数が０．８６６であるのに対し、Ｎ／Ｐ＝１．２とした場合には、巻線係数が０．９３３と高く、効率のよいモータを構成できるという効果もある。

さらに、Ｎ／Ｐ＝１．２で分数Ｎ／Ｐが既約分数でない組み合わせは種々考えられる。Ｐ＝２０、Ｎ＝２４やＰ＝３０、Ｎ＝３６などがある。このうち、もっとも極数が小さい組み合わせがＰ＝１０、Ｎ＝１２とした図８の場合である。

本実施の形態でも述べたようにブラシレスモータの制御には回転位置センサが広く用いられるが、回転子２０の位置は電気角で判断するため極数が大きくなると回転位置センサに要求される精度が高くなる。よってコギングトルクや回転子２０の渦電流損が低減できたとしても極数が大きくなりすぎると回転位置センサのコストが上がったり、また精度が低いことにより回転子位置を正確に判断することができず、電機子電流の通電位相がずれてトルク脈動になる場合もある。回転センサの精度は電気角で判断する必要があるため、同じ誤差でもモータの極数によって精度が変化し、極数が大きいほど電気角で表したときの誤差が大きくなる。したがって、極数が小さいほど電動パワーステアリング装置用モータとして適しているといえる。

よって、本実施の形態で示した、Ｐ＝１０、Ｎ＝１２のモータは極数Ｐと溝数Ｎが
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２ （３）
をみたし、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でない構成としたので、低コギングトルクと回転子２０の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングを得られると同時に、磁石２２の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。また、モード１の電磁加振力すなわち回転子２０を偏心させる加振力が存在しないため軸受けの寿命が延びるという効果があるだけでなく、偏心によるトルク脈動が小さいので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もある。

さらにＮ／Ｐ＝１．２をみたすものの中では最も極数の小さい組み合わせであるから、光学式エンコーダのような高価なセンサを用いることなく、バリアブル・リラクタンス型レゾルバのような安価なセンサを用いることができるので回転位置センサのコストを低減できるという効果がある。また回転位置センサの位置検出精度が悪化することにより回転子位置を正確に判断することができず、電機子電流の通電位相がずれて発生するトルク脈動を低減できるという効果もある。

なお、本実施の形態では回転子の磁石保持のための導電性のリングを設けない場合について述べたが、磁石保持用のリング（例えばステンレス系のリング）に発生する渦電流損もこれまで述べたメカニズムと同様のメカニズムで発生するため、磁石保持のための導電性のリングを設けた場合でも同様の効果が得られることはいうまでもない。

この発明の電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置に用いられる永久磁石型ブラシレスモータであって、回転軸、及び回転軸回りに設けられ複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する回転子と、回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され隣り合うティース間に巻線用の溝が形成された固定子鉄心、及びティースに集中的に巻回された電機子巻線とを有する固定子とを備え、回転子の磁極の数をＰ、固定子のティース間の溝数をＮとしたとき、
１＜Ｎ／Ｐ≦１．２
であり、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でない。このような構成にすることにより、低コギングトルクと回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、磁石の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。さらにモード１の電磁加振力を発生しないので振動、騒音の増大を防ぐことができるという効果もある。

また、回転子の磁極数Ｐ、固定子のティース間の溝数Ｎが、
Ｎ／Ｐ＝１．１２５
である。このような構成にすることにより、低コギングトルクと回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、磁石の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。さらに巻線係数が高く、効率のよいモータを構成できるという効果もある。

また、回転子の磁極数Ｐ、固定子のティース間の溝数Ｎが、
Ｎ／Ｐ＝１．２０
である。このような構成にすることにより、低コギングトルクと回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、磁石の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。さらに巻線係数が高く、効率のよいモータを構成できるという効果もある。

また、回転子の磁極数Ｐ、固定子のティース間の溝数Ｎが、
Ｎ＝１８かつＰ＝１６
である。このような構成にすることにより、低コギングトルクと回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、磁石の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。さらに極数が多過ぎないので回転位置のセンサの精度を低下させないので低トルク脈動のモータを実現できるという効果もある。また、Ｎ＝９かつＰ＝８にした場合より偏心による空間１次の径方向加振力が発生しにくく騒音やトルク脈動の点で有利であるという効果もある。

また、回転子の磁極数Ｐ、固定子のティース間の溝数Ｎが、
Ｎ＝１２かつＰ＝１０
である。このような構成にすることにより、低コギングトルクと回転子の渦電流損の低減を両立し、良好な操舵フィーリングが得られると同時に、磁石の発熱による減磁や残留磁束密度の低下によるトルクの低下を防ぐことができるという効果がある。さらに極数が多過ぎないので回転位置のセンサの精度を低下させないので低トルク脈動のモータを実現できるという効果もある。

極数Ｐと溝数ＮがＮ／Ｐ＝１．５のときの回転磁界の成分を示すグラフである。 極数Ｐと溝数ＮがＮ／Ｐ＝１．２のときの回転磁界の成分を示すグラフである。 極数Ｐと溝数ＮがＮ／Ｐ＝１．１２５のときの回転磁界の成分を示すグラフである。 極数Ｐと溝数ＮがＮ／Ｐ＝０．９のときの回転磁界の成分を示すグラフである。 極数Ｐと溝数ＮがＮ／Ｐ＝０．７５のときの回転磁界の成分を示すグラフである。 各モータの極数Ｐ、溝数Ｎ、及びＮ／Ｐを示す表である。 極数Ｐ＝８，溝数Ｎ＝１２の永久磁石型ブラシレスモータの断面図である。 極数Ｐ＝１０，溝数Ｎ＝１２の永久磁石型ブラシレスモータの断面図である。 極数Ｐ＝８，溝数Ｎ＝９の永久磁石型ブラシレスモータの断面図である。 極数Ｐ＝１０，溝数Ｎ＝９の永久磁石型ブラシレスモータの断面図である。 極数Ｐ＝８，溝数Ｎ＝６の永久磁石型ブラシレスモータの断面図である。 回転子に発生する渦電流損の解析結果を示すグラフである。 コギングトルクの大きさを示すグラフである。 極数Ｐ＝１６，溝数Ｎ＝１８の永久磁石型ブラシレスモータの断面図である。 自動車等の電動パワーステアリング装置の概念図である。

符号の説明

１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１１ａ ティース、１１ｂ 溝、１２ 電機子巻線、２０ 回転子、２１ 回転軸、２２ 永久磁石。

Claims (2)

1. 電動パワーステアリング装置に用いられ、正弦波駆動で制御される永久磁石型ブラシレスモータであって、
   回転軸、及び該回転軸回りに設けられ複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する表面磁石型の回転子、該回転子の回転位置を検出するバリアブル・リラクタンス型レゾルバと、
   上記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され隣り合うティース間に巻線用の溝が形成された固定子鉄心、及び該ティースに集中的に巻回された電機子巻線とを有する固定子と
   を備え、
   上記回転子の上記磁極の数をＰ、上記固定子の上記ティース間の溝数をＮとしたとき、
   １＜Ｎ／Ｐ≦１．２
   であり、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でなく、
   Ｎ／Ｐ＝１．１２５であって、
   Ｎ＝１８かつＰ＝１６であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータ。
2. 電動パワーステアリング装置に用いられ、正弦波駆動で制御される永久磁石型ブラシレスモータであって、
   回転軸、及び該回転軸回りに設けられ複数の磁極を形成する複数の永久磁石を有する表面磁石型の回転子、該回転子の回転位置を検出するバリアブル・リラクタンス型レゾルバと、
   上記回転子に対向して設けられ中心軸方向に複数のティースが突設され隣り合うティース間に巻線用の溝が形成された固定子鉄心、及び該ティースに集中的に巻回された電機子巻線とを有する固定子と
   を備え、
   上記回転子の上記磁極の数をＰ、上記固定子の上記ティース間の溝数をＮとしたとき、
   １＜Ｎ／Ｐ≦１．２
   であり、かつ分数Ｎ／Ｐが既約分数でなく、
   Ｎ／Ｐ＝１．２０であって、
   Ｎ＝１２かつＰ＝１０であることを特徴とする電動パワーステアリング装置用永久磁石型ブラシレスモータ。

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