JP4718580B2 - 永久磁石型回転電機及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、永久磁石型回転電機に関するものであり、特に電動パワーステアリング装置に用いられる永久磁石型回転電機に関するものである。

近年、様々な用途にコギングトルクと負荷時のトルク脈動の小さい回転電機が求められている。特に、特に電動パワーステアリング装置に用いられる回転電機に置いては、滑らかなステアリング感覚を得るためにその傾向が大である。

そして、従来から、永久磁石型電動機のコギングトルクを低減する手法として、電機子突極の界磁部と対向する位置に補助溝を設けることにより、コギングトルクを低減する技術が提案されている。そして特に、各突極に４個ずつ補助溝を設けた場合には、２個ずつ設けた場合に比較してコギングトルクの次数を大きくすることができるためコギングトルクの低減により大きな効果を発揮することが示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、巻線用スロットと補助溝は全体として等間隔またはほぼ等間隔とすることが提案され、一方、各突極に４個ずつ補助溝を設け補助溝の間隔を等間隔としないことが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特公昭５８−４２７０７号公報 特開平１０−４２５３１号公報

しかしながら、このような構成の従来の永久磁石型回転電機においては、巻線用スロットと補助溝とが全体として等間隔に設けられていても、或いは等間隔に設けられていなくても、いずれにしろ、巻線用スロットの開口部の幅が適切でないと、コギングトルクを低減出来なかったり隣り合う突極間に発生する漏れ磁束により生じる磁気飽和によって負荷時のトルク脈動が大きくなったりすることがあった。さらに、補助溝の深さや幅が適切でないとコギングトルクを低減できない場合があった。

また、巻線用スロットと補助溝が、全体として等間隔でない場合には、コギングトルクの主たる原因となるパーミアンスの空間的な変動の高調波成分（基本波も含む）を増大させ、補助溝を設けない場合よりコギングトルクが増大してしまう問題があった。特に、特許文献２に開示されている各突極に４個ずつの補助溝を設けた例においては、補助溝が巻線用スロットの近傍に位置しており、補助溝の幅や深さが適切でないとコギングトルクの原因となりうるパーミアンスの空間的な変動の高調波成分を大幅に増大させ結果的にコギングトルクを増大させてしまうという問題があった。
また、特許文献１に開示されている例においては、巻線用のスロット開口部の幅と補助溝の幅が２倍程度異なるため、コギングトルクの主たる原因となるパーミアンスの空間的な変動の高調波成分（基本波も含む）を十分低減できていないという問題もあった。

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、コギングトルクの低減と負荷時のトルク脈動の低減を両立することを目的として、巻線用スロットと補助溝は全体として等間隔またはほぼ等間隔とし、さらに巻線用スロットの開口部の幅と補助溝の深さや幅を適切に設定することによって、コギングトルクの低減と負荷時のトルク脈動の低減を両立させ、高性能化を図ることができる永久磁石型回転電機、およびこの永久磁石型回転電機を駆動源として用いる電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数の永久磁石の磁極を有する回転子と、上記永久磁石と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極を有する固定子とを備え、上記突極の上記永久磁石と対向する面に補助溝が設けられ、上記補助溝の周方向の幅は、巻線用スロットの開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、上記補助溝の周方向の間隔は、上記巻線用スロットの開口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にされ、上記巻線用スロットの開口部の周方向の間隔をＷ、上記巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び上記補助溝の周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５であり、上記突極の周方向突起部の径方向厚さをａ、上記補助溝の深さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２であり、上記回転子と上記固定子との間に相対的にスキューが施され、スキュー角は電気角６５度から７８度の範囲である。

また、上記複数の永久磁石は、周方向に分離した別個の磁石によって形成された。

さらに、この発明に係る電動パワーステアリング装置は、上述の永久磁石型回転電機を駆動源として用いる。

この発明に係る永久磁石型回転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数の永久磁石の磁極を有する回転子と、上記永久磁石と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極を有する固定子とを備え、上記突極の上記永久磁石と対向する面に補助溝が設けられ、上記補助溝の周方向の幅は、巻線用スロットの開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、上記補助溝の周方向の間隔は、上記巻線用スロットの開口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にされ、上記巻線用スロットの開口部の周方向の間隔をＷ、上記巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び上記補助溝の周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５であり、さらに、上記突極の周方向突起部の径方向厚さをａ、上記補助溝の深さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２であり、上記回転子と上記固定子との間に相対的にスキューが施され、スキュー角は電気角６５度から７８度の範囲である。
そのため、固定子の各突極間に発生する漏れ磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈動を低減するとともに、巻線用スロットと補助溝によるパーミアンスの脈動を低減することができ、コギングトルクも低減することが可能である。また、突極の周方向突起部の径方向厚さと補助溝の深さを、このように設定することにより、補助溝によるパーミアンスの変動と巻線用スロットによるパーミアンスの変動がほぼ等価になることにより、コギングトルクを大幅に低減することが出来る。

さらに、この発明に係る電動パワースステアリング装置は、上述の永久磁石型回転電機を駆動源として用いる。そのため、コギングトルクと負荷時のトルク脈動を低減した永久磁石型回転電機を電動パワーステアリング装置に組み込むことにより、滑らかなステアリング感覚を得ることができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の永久磁石型回転電機の断面図である。また、図２は図１の固定子の突極の先端部分（３個の突極）を拡大して示す図である。図１において、１は固定子５の突極であり、本実施の形態においては１２個の突極を有している。２は突極１にそれぞれ巻回される巻線である。３は巻線２が巻回されるために隣接する突極１間に形成された巻線用スロットである。４ａ〜４ｄは突極１の先端部に設けられた補助溝である。この補助溝は各突極１の先端部に４個ずつ設けられている。補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の幅と同じ幅とされ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部と合わせて周方向に等間隔にされている。

一方、６は磁極を構成する永久磁石であり、極性の異なる磁極が交互に等間隔に配置されている。本実施の形態においては８極の回転電機としている。７は回転軸である。回転子８は永久磁石６と回転軸７を有している。図２において、１１は巻線用スロット３の開口部である。

次に、動作を説明する。永久磁石型回転電機が無負荷の状態のときに回転子８が回転すると、永久磁石６と突極１との相互作用でコギングトルクが発生する。このコギングトルクが大きいと振動の原因となり、回転電機の特性を悪化させる一因になる。また、このコギングトルクは永久磁石６の起磁力成分と固定子突極１のパーミアンスの変動成分を用いて考察することにより、回転子８の一回転あたり回転電機の極数とスロット数の最小公倍数の脈動数を持っていることが従来より解っている。そして、その最小公倍数が大きいほど、コギングトルクも小さいことが一般に知られている。

コギングトルクを低減する技術としては、固定子８の突極１の先端部に補助溝を設け、仮想的にスロット数を増やし極数とスロット数の最小公倍数を増加させるという方法がある。例えば、本実施の形態のように８極１２スロットの永久磁石型回転電機においては、補助溝を各突極１に４個ずつ設けた場合には、仮想的なスロット数は６０となり、極数と補助溝も含めたスロット数との最小公倍数は１２０となり、大幅にコギングトルクが低減できることが想定される。

しかしながら、補助溝の幅が適切でないとコギングトルクを低減出来ない場合がある。また、巻線用スロット３の開口部の幅が大きすぎるとコギングトルクが増大する。一方、逆に小さすぎると、負荷時に電機子巻線に流れる電流により生じる起磁力によって隣り合う突極１間に漏れ磁束が発生し、この漏れ磁束によって突極１に磁気飽和が生じる。そして、この磁気飽和により負荷時のトルク脈動が大幅に増加する。このようなことから、補助溝あるいは、巻線用スロット３の開口部の幅にコギングトルクと負荷時のトルク脈動が小さくなる範囲が存在すると推測される。

本実施の形態においては、巻線用スロット３の開口部１１の周方向の間隔と補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅について考察した。まず、図２に示すように補助溝４ａ〜４ｄの開口幅と巻線用スロット３の開口部１１を等しくし、その幅をｃとする。一方、巻線用スロット３の間隔をＷとする。ここで、Ｗは、

Ｗ＝固定子内径（直径）×円周率／スロット数

として定義する。ただし、ここで言う「スロット数」には補助溝は含まれず、巻線用スロット３のみの数である。

このｃをＷで除した値をパラメータとすれば、回転電機の補助溝の開口幅と巻線用スロット開口幅とスロット間隔を規格化して表現できるため都合が良い。すなわち、このパラメータに対するコギングトルクや負荷時のトルク脈動の傾向を見ることで、コギングトルクや負荷時のトルク脈動を低減するための最適な範囲を調べることが可能となる。

そこで、定格トルクが約３Ｎｍで、通電する電流は正弦波状とする永久磁石型回転電機を設計し、ｃ／Ｗに対するコギングトルクおよび負荷時のトルク脈動の変化を磁界解析によって求めた。図３はその解析結果を示す。横軸にｃ／Ｗをとり、縦軸にコギングトルクの値（定格トルクに対する割合）と負荷時（ここでは定格負荷時）のトルク脈動（平均トルクに対する割合）を示す。
また、実際のコギングトルクは工作誤差によって解析結果より大きな値を持つことから、設計の余裕を持たせるために図３では解析で求めたコギングトルクの３倍の値を示している。（図５、図８についても同様である。）

図３から、負荷時のトルク脈動はｃ／Ｗが小さいほど、すなわち補助溝４ａ〜４ｄおよび巻線用スロット３の開口幅が小さいほど大きく。ｃ／Ｗが大きいほど、小さくなっていることが分かる。これは、ｃ／Ｗが小さいほど、隣り合う突極間に発生する漏れ磁束により、突極の磁束密度が上昇し、トルク脈動が大きくなったと思われる。逆にｃ／Ｗが大きくなるにつれて、磁気飽和が緩和されトルク脈動が小さくなったと考えられる。特に０．０４０＜ｃ／Ｗの時には負荷時のトルク脈動が平均トルクの約２％以下となる。

一方、ｃ／Ｗが大きいほどコギングトルクは大きい。これは、補助溝４ａ〜４ｄや巻線用スロット３の開口幅が大きくなり、固定子突極１先端部のパーミアンスの脈動が大きくなったためと考えられる。また、ｃ／Ｗが大きいと、等価的な空隙長が長くなり、トルクが低下することもある。ｃ／Ｗが小さいほど、すなわち開口幅が小さいほど、コギングトルクが小さい傾向にあるが、これは、補助溝４ａ〜４ｄや巻線用スロット３の開口幅が小さくなり、固定子突極１先端部と空隙部のパーミアンスの脈動が小さくなったためと考えられる。特に、ｃ／Ｗ＜０．１２５の時にコギングトルクは非常に小さく定格トルクの約０．５％になっていることが分かる。

このようなことから、この実施の形態の永久磁石型回転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数の永久磁石６の磁極を有する回転子８と、永久磁石６と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極１を有する固定子５とを備え、突極１の永久磁石６と対向する面に補助溝が４個４ａ〜４ｄずつ設けられ、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にされ、巻線用スロット３の開口部の周方向の間隔をＷ、巻線用スロット３の開口部の周方向の幅及び補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５とされている。

このように、巻線用スロット３の開口部の周方向の間隔Ｗと、巻線用スロット３の開口部の周方向の幅及び補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅ｃの関係を設定することにより、固定子５の各突極１間に発生する漏れ磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈動を低減することができる。また、巻線用スロット３と補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの脈動を低減することができ、コギングトルクも大幅に低減することが可能となる。

尚、本実施の形態においては、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の幅と同じ幅とされ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部と合わせて周方向に等間隔にされているが、上述の解析結果から解るように、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の幅とほぼ同じ幅とされればほぼ同様の効果が得られ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部と合わせて周方向にほぼ等間隔にされればほぼ同様の効果が得られる。

また、本実施の形態においては、各磁極を構成する永久磁石６は、全体で円筒状に構成されるものが用いられているが、各磁極は周方向に分離する独立した磁石とされても良い。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２の永久磁石型回転電機の固定子の突極の先端部分（３個の突極）を拡大して示す図である。４ａ〜４ｄは突極１の先端部に設けられた補助溝であり、実施の形態１と同様に全ての固定子突極１に４個ずつ設けられている。また、本実施の形態においては、実施の形態１と同様に補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部１４の幅と同じ幅とされ、また補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部１４と合わせて周方向に等間隔にされている。

補助溝４ａ〜４ｄは、実施の形態１で述べたように、コギングトルク低減のために設けられているが、その深さが適切でないと、うまく補助溝としての機能を果たすことが出来ず、コギングトルクを低減できない場合がある。これは、補助溝によるパーミアンスの脈動と巻線用スロットによるパーミアンスの脈動を等価あるいはほぼ等価にしないとコギングトルクの低減を実現できないからである。

そこで、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さをａとし、各補助溝４ａ〜４ｄの深さをｂとおき、その比ｂ／ａを変化させて、コギングトルクを見ることとした。このように補助溝４ａ〜４ｄの深さを、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さａで規格化すると、補助溝４ａ〜４ｄの深さによるコギングトルクの変化を定性的に把握できるため都合が良い。

ここでも、実施の形態１と同様に、定格トルクは約３Ｎｍで、通電する電流は正弦波状である永久磁石型回転電機を設計し、磁界解析を行った。この解析結果を図５に示す。突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さａと補助溝の深さｂの比ｂ／ａを横軸にとり、縦軸にコギングトルク（定格トルクに対する割合）をとっている。この結果から、ｂ／ａが大きすぎても、小さすぎてもコギングトルクが増大することが分かる。

すなわち、補助溝４ａ〜４ｄの深さが浅過ぎても深すぎても補助溝はうまく機能することができず、コギングトルクの低減が十分でないことが言える訳である。補助溝４ａ〜４ｄが浅過ぎる場合、補助溝におけるパーミアンスの脈動が巻線用スロット３のそれに比べて小さいと考えられる。その結果、補助溝におけるパーミアンスの脈動と巻線用スロット３のそれとが等価あるいはほぼ等価にならず、コギングトルクの低減が不充分となったと考えられる。逆に補助溝の深さが大きすぎた場合には、補助溝におけるパーミアンスの脈動が巻線用スロット３のそれに比べて大きくなってしまい、補助溝におけるパーミアンスの脈動と巻線用スロット３のそれとが等価あるいはほぼ等価にならず、コギングトルクの低減が不充分となったと考えられる。また、補助溝の深さが大きすぎると、回転電機における等価的なエアギャップが大きくなってしまうことで、トルクが低下してしまうこともあるため、補助溝の深さは大きすぎないほうが良いのである。さらに、補助溝の深さが大きすぎると、各突極に設けられた４個の補助溝の内、両端の２個の上部においてコアが非常に薄くなり、機械的な強度も低下してしまうことからも、補助溝の深さは大きすぎないほうが良いといえる。

そして、図５の解析結果から、特に０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２のときにはコギングトルクが大幅に低減でき、定格トルクの約０．５％以下となっていることから、このように補助溝４ａ〜４ｄの深さと突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さａを設定することにより、補助溝の効果を十分に発揮でき、コギングトルクを大幅に低減できる効果があると言える。

すなわち、この実施の形態の永久磁石型回転電機は、周方向に所定の間隔を介して配置された複数の永久磁石６の磁極を有する回転子８と、永久磁石６と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極１を有する固定子５とを備え、突極１の永久磁石６と対向する面に補助溝が４個４ａ〜４ｄずつ設けられ、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅は、巻線用スロット３の開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、補助溝４ａ〜４ｄの周方向の間隔は、巻線用スロット３の開口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にされ、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さをａ、補助溝４ａ〜４ｄの深さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２とされている。

このように、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さａと、補助溝４ａ〜４ｄの深さｂを設定することにより、補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの変動と巻線用スロット３によるパーミアンスの変動がほぼ等価になることにより、コギングトルクを大幅に低減することが出来る。

実施の形態３．
実施の形態１において、巻線用スロットの開口部の幅と補助溝の幅ｃと巻線用スロットの間隔Ｗを０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５なる関係とすれば、固定子の各突極間に発生する漏れ磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈動を低減し、また、補助溝と巻線用スロットの開口部におけるパーミアンスの脈動を低減しコギングトルクを低減できることを説明した。また、巻線用スロットと補助溝によるパーミアンスの脈動を低減することができ、コギングトルクも大幅に低減することができるという効果があることも述べた。

さらに、実施の形態２においては、突極の周方向突起部の径方向厚さをａとし、各補助溝の深さをｂとおき、その比ｂ／ａを０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２なる関係とすれば、補助溝の効果を十分に発揮することができ、コギングトルクを大幅に低減できる効果があるということを説明した。

しかしながら、いずれか一方の条件しか満たしていない場合には、十分にコギングトルクを低減できない場合がある。すなわち、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５を満たしていても、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を満たしていない場合、補助溝におけるパーミアンスの脈動と巻線用スロットにおけるパーミアンスの脈動が等価にならず、コギングトルクを十分低減できないことがある。

また、逆に０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を満たしていても、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５を満たさない場合、例えばｃ／Ｗが大きすぎる場合には、スロット開口幅や補助溝の幅が大きいために、パーミアンスの脈動が大きくなりコギングトルクが十分低減できないことがある。

このようなことから、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５と０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を同時に満たせば、コギングトルク低減に多大な効果を発揮すると考えられる。

図６にコギングトルクの解析結果を示す。本発明の効果の大きさを説明するために補助溝を設けない場合のコギングトルクと固定子の各突極に４個の補助溝を設け且つ０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５と０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を同時に満たすような補助溝を設けている場合のコギングトルクを示す。この解析結果は、ｃ／Ｗ＝０．９５，ｂ／ａ＝０．３７５とした場合の例である。横軸は回転子の位置を電気角で表している。縦軸はコギングトルクで、分かりやすくするため、補助溝を全く設けない場合のコギングトルクを１００％として示している。固定子の各突極に４個ずつ補助溝を設け、且つその補助溝の幅および深さを０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５と０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２を同時に満たすようにするとコギングトルクをわずか５％以下にまで低減できていることが分かる。

このようなことから、この実施の形態の永久磁石型回転電機は、巻線用スロット３の開口部の周方向の間隔をＷ、巻線用スロット３の開口部の周方向の幅及び補助溝４ａ〜４ｄの周方向の幅をｃとすると、０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５であり、さらに、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さをａ、補助溝４ａ〜４ｄの深さをｂとすると、０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２とされている。

そのため、固定子８の各突極１間に発生する漏れ磁束により生じる磁気飽和を緩和し、負荷時のトルク脈動を低減するとともに、巻線用スロット３と補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの脈動を低減することができ、コギングトルクも低減することが可能である。また、突極１の周方向突起部１ａの径方向厚さと補助溝４ａ〜４ｄの深さを、上述のように設定することにより、補助溝４ａ〜４ｄによるパーミアンスの変動と巻線用スロット３によるパーミアンスの変動がほぼ等価になることにより、コギングトルクを大幅に低減することが出来る。

実施の形態４．
実施の形態１乃至３によって負荷時のトルク脈動を低減し、コギングトルクも大幅に低減出来ることを説明してきた。これらの発明によっても負荷時のトルク脈動とコギングトルクの低減に十分効果が得られるが、さらに低減する方法として、スキューを施す方法がある。永久磁石形回転電機の回転子や固定子にスキューを施すことにより、コギングトルクの原因となる永久磁石の起磁力高調波やトルク脈動の原因となる固定子の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出来るからである。

図７はこの発明の実施の形態４の永久磁石型回転電機の回転子の斜視図である。図７において、１６は全体で円筒状に形成された永久磁石である。永久磁石１６は、Ｎ極、Ｓ極が交互に並ぶように着磁されており、本実施の形態は８極の回転子８となっている。そして、永久磁石１６は、図中θで示されているように、θの角度でスキューが形成されるように着磁されている。尚、この磁石の配向は径方向になされたラジアル異方性の磁石とされている。

次に、スキューを施した構造とすることで、負荷時のトルク脈動とコギングトルクが大幅に低減できることを図８を用いて説明する。図８は図７で示したスキュー角θ（ここでは電気角で表す）を変化させたときに、負荷時のトルク脈動とコギングトルクがどのように変化するのかを磁界解析によって求めその結果を示したものである。横軸はスキュー角を電気角で表し、縦軸はコギングトルクと負荷時のトルク脈動を表している。

ここで、コギングトルクは定格トルクに対する割合で示し、負荷時のトルク脈等は負荷時の平均トルクに対する割合で示している。また、本実施の形態にて扱う永久磁石型回転電機は図７に示されるように８極で、固定子は図には示さないが巻線用のスロットが１２個あり、この固定子の各突極にはそれぞれ４個ずつ補助溝が設けられている。さらに、実施の形態１及び２で説明した固定子形状に関するパラメータはｃ／Ｗ＝０．９５、ｂ／ａ＝０．３７５としている。

図８から明らかなように、コギングトルクはスキューを施すことにより大幅に低減できることが分かる。特に電気角６０度において、著しく低減できているが概ね電気角３０度から１００度付近まではスキューがない場合に比べて、コギングトルクを十分低減できているといえる。一方、負荷時のトルク脈動はおおよそ電気角７２度付近にて最小となっていることが分かる。この電気角７２度は、この永久磁石型回転電機の負荷時のトルク脈動の主な原因となっている固定子巻線の起磁力の第５高調波を完全に打ち消すことが出来るスキュー角であるから、この角度にて負荷時のトルク脈動が大幅に小さくなったと考えられる。例えば、負荷時のトルク脈動を２％程度まで低減するためには、スキュー角θを電気角６５度から電気角７８度までの範囲にすればよいということがこの磁界解析の結果から分かる。

なお、本実施の形態においては、回転子８にスキューを施した例を開示したが、固定子５にスキューを施しても、あるいは、固定子５および回転子８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。また、本実施の形態においては、回転子８の磁石１６は円筒状とし、スキューを着磁によって施した例を開示したが、永久磁石は各磁極が周方向に分離した別個の磁石によって形成され、かつ別個の形状にてスキューを施してもよいことは言うまでもない。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述べたが、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。

以上の結果から、固定子の各突極に４個ずつ補助溝を設けた永久磁石型回転電機において、スキューを好ましくは電気角６５度〜７８度のスキューを施す。さらに好ましくはスキュー角を電気角７２度とする。このように、スキューを施した構造とすることにより、コギングトルクや負荷時のトルク脈動を大幅に低減することが可能となる。

実施の形態５．
図９はこの発明の電動パワーステアリング装置の概念図である。図９において、１７はステアリングホイール、１８はステアリングホイール１７から操舵力を伝えるためのコラムシャフトである。１９はウォームギヤ（図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している）であり、電動機２０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。２１はハンドルジョイントであり、操舵力を伝えると共に、方向も変える。２２はステアリングギヤ（図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している）であり、コラムシャフト１８の回転を減速し、同時にラック２３の直線運動に変換し、所要の変移を得る。このラック２３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。

上記のような電動パワーステアリング装置では電動機２０にて発生するトルクの脈動がウォームギヤ１９とコラムシャフト１８を介して、ステアリングホイール１７に伝達される。従って、電動機２０が大きなトルク脈動を発生する場合、滑らかなステアリング感覚を得ることが出来ない。また、電動機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、電動機が大きなコギングトルクを発生するものであれば、滑らかなステアリング感覚を得ることが出来ない。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、電動機が発生するコギングトルクは定格トルクの０．５％程度以下、負荷時のトルク脈動を平均トルクの２％程度以下にすれば良いというのが目安となる。

そこで、例えば、実施の形態４にて説明した電動機２０の固定子形状に関するパラメータはｃ／Ｗ＝０．９５、ｂ／ａ＝０．３７５とし、スキュー角を電気角７２度とすれば、トルクの脈動は平均トルクの約１％となり、コギングトルクも定格トルクの０．１％以下と非常に小さくなることから、滑らかなステアリング感覚を得ることが出来る。また、本実施の形態ではコラムシャフトを電動機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場合でもよいことは言うまでもない。

このように、コギングトルクの低減と負荷時のトルク脈動の低減を両立した実施の形態１〜４の永久磁石型回転電機を電動パワーステアリング装置に組み込むことにより、滑らかなステアリング感覚を得ることができるという効果がある。

この発明の実施の形態１の永久磁石型回転電機の断面図である。 図１の固定子の突極の先端部分を拡大して示す図である。 コギングトルクと負荷時のトルク脈動の解析結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態２の永久磁石型回転電機の固定子の突極の先端部分を拡大して示す図である。 コギングトルクの解析結果を示すグラフである。 コギングトルクの解析結果を示すグラフである。 この発明の実施の形態４の永久磁石型回転電機の回転子の斜視図である。 スキュー角に対するコギングトルクと負荷時のトルク脈動の解析結果を示すグラフである。 この発明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

１ 突極、１ａ 突極の周方向突起部、２ 巻線、３ 巻線用スロット、４a〜４d 補助溝、５ 固定子、６，１６ 永久磁石、７ 回転軸、８ 回転子、ｃ 巻線用スロット開口部の幅及び補助溝の幅、Ｗ 巻線用スロット開口部の間隔、ａ 突極の周方向突起部の径方向の厚さ、ｂ 補助溝の深さ、θ スキュー角。

Claims (3)

1. 周方向に所定の間隔を介して配置された複数の永久磁石の磁極を有する回転子と、上記永久磁石と対向し周方向に所定の間隔を介して配置された複数の突極を有する固定子とを備え、
   上記突極の上記永久磁石と対向する面に補助溝が設けられ、
   上記補助溝の周方向の幅は、巻線用スロットの開口部の幅と同じかまたはほぼ同じ幅とされ、
   上記補助溝の周方向の間隔は、上記巻線用スロットの開口部と合わせて、周方向にほぼ等間隔望ましくは等間隔にされ、
   上記巻線用スロットの開口部の周方向の間隔をＷ、上記巻線用スロットの開口部の周方向の幅及び上記補助溝の周方向の幅をｃとすると、
   ０．０４０＜ｃ／Ｗ＜０．１２５
   であり、
   上記突極の周方向突起部の径方向厚さをａ、上記補助溝の深さをｂとすると、
   ０．２５＜ｂ／ａ＜０．８２
   であり、
   上記回転子と上記固定子との間に相対的にスキューが施され、スキュー角は電気角６５度から７８度の範囲であることを特徴とする永久磁石型回転電機。
2. 上記複数の永久磁石は、周方向に分離した別個の磁石によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の永久磁石型回転電機。
3. 請求項１または２に記載の永久磁石型回転電機を駆動源として用いる
   ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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