JP5897073B2 - 永久磁石型回転電機及びそれを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Description
この発明は、前記のような問題点を解決するためになされたものであり、コギングトルクを低減した永久磁石型回転電機及びそれを用いた電動パワーステアリング装置を得ることを目的としている。
また、この発明の永久磁石型回転電機は、永久磁石により構成された複数の磁極と回転子鉄心を有する回転子、電機子巻線と、前記電機子巻線を収めるスロットが設けられ、前記回転子と対向する複数のティースを有する固定子鉄心とを具備する固定子を備え、前記固定子鉄心の前記ティースの前記回転子に対向する部分に補助溝が設けられる永久磁石型回転電機において、前記回転子には、前記回転子鉄心に設けられた回転軸方向の複数の孔部に前記永久磁石を埋め込んで複数の磁極が構成され、前記回転子鉄心には、その表面部で隣合う前記磁極間に前記磁極に沿って、軸方向の一部に凹部溝が形成されて、前記永久磁石と前記回転子鉄心を有する前記回転子の回転軸に垂直な断面における断面形状が回転軸方向で変化することによる、磁気回路設計が異なる領域が前記回転子の回転軸方向に2つ以上設けられ、前記補助溝は前記固定子鉄心の前記ティースの軸方向の一部の領域に設けられており、前記補助溝が設けられている領域は、前記凹部溝が設けられた領域と、前記凹部溝が設けられていない領域とに、対向する領域毎にそれぞれその一部の領域である。
この発明の前記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。
図1はこの発明の実施の形態1の永久磁石型回転電機について、回転軸に平行かつ回転軸を通る平面上の模式的な断面図を示す。回転子鉄心2の表面に永久磁石1が備え付けられている。永久磁石1の周方向端部付近に突起部8が設けられ、突起部8は永久磁石1を挟み込むような配置となっている。突起部8が隣合う永久磁石1の間に配置される場合、回転軸(シャフト)10に平行かつ回転軸10を通る平面上の断面図には、突起部8と永久磁石1が同時に描かれることはないが、図1は理解を助けるために同時に描いている。
Ls1=Ls2=Lr1/2
Ls4=Ls3+Ls5=Lr2/2
Ls6=Ls7=Lr3/2
とすれば、A−Xの領域とA−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにB−Xの領域とB−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となる。
Ls1=Ls2=Lr1/2
Ls4=Ls3+Ls5=Lr2/2
Ls6=Ls7=Lr3/2
とすれば、A−Xの領域とA−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにB−Xの領域とB−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となることは言うまでもない。
Ls1=Ls2=Lr1/2
Ls3=Ls4=Lr2/2
Ls5+Ls7=Ls6=Lr3/2
Ls8=Ls9=Lr4/2
Ls10=Ls11=Lr5/2
とすれば、A−Xの領域とA−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにB−Xの領域とB−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となる。
Ls1=Lr1
Ls2=Ls3=Lr2/2
Ls7=Ls8=Lr4/2
Ls4+Ls6=Ls1+Ls5+Ls9=(Lr1+Lr3+Lr5)/2
Ls9=Lr5
とすれば、A−Xの領域とA−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにB−Xの領域とB−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となる。
さらに、補助溝の深さHdはティース先端部の厚みHsよりも大きいことが望ましい。これも固定子鉄心のスロットによるパーミアンスの脈動成分を変化させ、脈動数がスロット数と一致するコギングトルクの成分の位相を反転させることができる。上述した補助溝のない部分でのコギングトルクとのキャンセル効果を十分に発揮することができる。
実施の形態1では、極数(磁極数)10、スロット数12の例について述べたが、この発明はそれに限らない。永久磁石型回転電機の極数をP、スロット数をSとすると、
0.75<S/P<1.5
なる関係がある組み合わせの場合、特許文献1,特許文献2,特許文献3で述べられているS/P=0.75,S/P=1.5の場合に比べて、巻線係数が高く永久磁石の磁束を効率的に利用し小型で高トルクの永久磁石型回転電機が得られることが知られている。
0.75<S/P<1.5
なる関係がある組み合わせの永久磁石型回転電機に適用すると、回転子側のばらつきに対してロバスト性が高く、コギングトルクS次成分を小さくすることができる。
0.75<S/P<1.5
を満たす永久磁石型回転電機のうち、図23にはP=14,S=12の例、図24にはP=8,S=9の例、図25にはP=10,S=9を示した。
nを自然数とし、
極数P=12n±2n,スロット数S=12n
極数P=9n±n,スロット数S=9n
であれば同じ効果が得られる。
これまでの実施の形態では永久磁石が回転子鉄心の表面に設けられた表面磁石型の例であったが、この発明はこれに限らず適用できる。図26には永久磁石1が回転子鉄心2内部に設けられた回転軸方向の複数の孔部9(図29)に埋め込まれた磁石埋め込み型構造である。回転子鉄心2に回転軸10が挿入されている。回転子鉄心2には平板状の永久磁石1が埋め込まれ複数の磁極が構成となっている。さらに回転子鉄心2には表面部で隣合う磁極間に磁極に沿って、軸方向の一部に凹部溝2aが設けられている。凹部溝2aがある部分の断面図を図29に示す。回転子鉄心2の孔部9に永久磁石1が埋め込まれ、永久磁石1の左右には非磁性の空隙部9aが設けられている。さらに、隣合う永久磁石1間に設けられた回転子鉄心2の磁路部分には磁極間の鉄心部2bが設けられている。
Ls1=Ls2=Lr1/2
Ls3=Ls4=Lr2/2
Ls5=Ls6=Ls3/2
Ls7=Ls8=Lr4/2
とすれば、実施の形態1で述べたようにA−Xの領域とA−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにB−Xの領域とB−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となる。
Ls1=Ls2/2=Lr1/2
Ls2/2=Ls3/2=Lr2/2
Ls3/2=Ls4/2=Lr3/2
Ls4/2=Ls5=Lr4/2
とすればA−Xの領域とA−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにB−Xの領域とB−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となる。
実施の形態1〜3では、回転子鉄心の回転軸に垂直な断面における断面形状と永久磁石の回転軸に垂直な断面における断面形状のうち少なくとも一方が回転軸方向で変化することによって、磁気回路設計が異なる領域を回転軸方向に2つ以上有する構成の永久磁石型回転電機について述べたが、ここでは別の構成例を述べる。図30は、回転子鉄心2の表面部に永久磁石1を設け、極数が10の回転子の斜視図である。永久磁石1は軸方向に2つ並べられ、さらに階段状のスキューを設けている。
Ls1=Ls2=Lr1/2
Ls3=Ls4=Lr2/2
とすればM1−Xの領域とM1−Yの領域の軸方向長さが等しくなり、さらにM2−Xの領域とM2−Yの領域の軸方向長さが等しくなるため、コギングトルク低減効果をより発揮できる構成となる。
0.75<S/P<1.5
なる関係がある組み合わせの場合、特許文献1,特許文献2,特許文献3で述べられているS/P=0.75,S/P=1.5の場合に比べて、巻線係数が高く、永久磁石の磁束を効率的に利用し、小型で高トルクの永久磁石型回転電機が得られることが知られている。
0.75<S/P<1.5
なる関係がある組み合わせの永久磁石型回転電機に適用すると、回転子側のばらつきに対してロバスト性が高く、コギングトルクS次成分を小さくすることができる。
また,図31では補助溝が固定子鉄心のティースの周方向中央部に1箇所設けられているので,従来例よりトルクの低下が少ないという効果が得られる。したがって、小型で高トルクの実現とロバスト性を高くすることの両立が可能となり、実施の形態4の構成により,特許文献1,特許文献2,特許文献3では得られない格別の効果を得ることができる。
図33は、実施の形態1〜4の永久磁石型回転電機を用いた車両用の電動パワーステアリング装置を示す概念図である。図33において、電動パワーステアリング装置には、ステアリングホイール22から操舵力を伝えるためのコラムシャフト23が設けられている。コラムシャフト23にはウォームギヤ24(図では詳細は省略し、ギヤボックスのみ示している)が接続されている。ウォームギヤ24はコントローラ21によって制御される駆動モータ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。25はハンドルジョイントであり、操舵力を伝えると共に、回転方向も変える。26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23の回転を減速し、同時にラック27の直線運動に変換し、所要の変位を得る。このラック27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。
この発明の各種の変形または変更は、関連する熟練技術者が、この発明の範囲と精神を逸脱しない中で実現可能であり、この明細書に記載された各実施の形態には制限されないことと理解されるべきである。
Claims (10)
- 永久磁石により構成された複数の磁極と回転子鉄心を有する回転子、
電機子巻線と、前記電機子巻線を収めるスロットが設けられ、前記回転子と対向する複数のティースを有する固定子鉄心とを具備する固定子を備え、
前記固定子鉄心の前記ティースの前記回転子に対向する部分に補助溝が設けられる永久磁石型回転電機において、
前記回転子鉄心の回転軸方向の一部に、前記永久磁石を保持し磁性材で構成される突起部が設けられて、
前記永久磁石と前記回転子鉄心を有する前記回転子の回転軸に垂直な断面における断面形状が回転軸方向で変化することによる、磁気回路設計が異なる領域が前記回転子の回転軸方向に2つ以上設けられ、前記補助溝は前記固定子鉄心の前記ティースの軸方向の一部の領域に設けられており、
前記補助溝が設けられている領域は、前記突起部が設けられた領域と、前記突起部が設けられていない領域とに、対向する領域毎にそれぞれその一部の領域であり、かつ前記対向する領域毎にそれぞれその軸方向長さの半分の領域であることを特徴とする永久磁石型回転電機。 - 前記補助溝の幅Wdは、前記スロットの開口幅Wsよりも大きいことを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。
- 前記補助溝の深さHdが前記ティースの先端部の厚みHsよりも大きいことを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。
- 前記回転子の前記磁極の極数をP、前記固定子の前記スロットの数をSとしたとき、0.75<S/P<1.5なる関係が成り立つようにした請求項1記載の永久磁石型回転電機。
- nを自然数とし、前記回転子の前記磁極の極数Pが12n±2n、前記固定子の前記スロットの数Sが12nであることを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。
- nを自然数とし、前記回転子の前記磁極の極数Pが9n±n、前記固定子のスロット数Sが9nであることを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。
- 永久磁石により構成された複数の磁極と回転子鉄心を有する回転子、
電機子巻線と、前記電機子巻線を収めるスロットが設けられ、前記回転子と対向する複数のティースを有する固定子鉄心とを具備する固定子を備え、
前記固定子鉄心の前記ティースの前記回転子に対向する部分に補助溝が設けられる永久磁石型回転電機において、
前記回転子には、前記回転子鉄心に設けられた回転軸方向の複数の孔部に前記永久磁石を埋め込んで複数の磁極が構成され、
前記回転子鉄心には、その表面部で隣合う前記磁極間に前記磁極に沿って、軸方向の一部に凹部溝が形成されて、
前記永久磁石と前記回転子鉄心を有する前記回転子の回転軸に垂直な断面における断面形状が回転軸方向で変化することによる、磁気回路設計が異なる領域が前記回転子の回転軸方向に2つ以上設けられ、
前記補助溝は前記固定子鉄心の前記ティースの軸方向の一部の領域に設けられており、前記補助溝が設けられている領域は、前記凹部溝が設けられた領域と、前記凹部溝が設けられていない領域とに、対向する領域毎にそれぞれその一部の領域であることを特徴とする永久磁石型回転電機。 - 前記補助溝が設けられている領域は、前記凹部溝が設けられた領域と、前記凹部溝が設けられていない領域とに、対向する領域毎にそれぞれその軸方向長さの半分の領域であることを特徴とする請求項7記載の永久磁石型回転電機。
- 前記回転子の磁気回路設計が異なる領域間の回転軸に垂直な端面には、前記補助溝の軸方向端面が位置することを特徴とする請求項1,請求項7及び請求項8のいずれか1項に記載の永久磁石型回転電機。
- 請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の永久磁石型回転電機を駆動モータとして使用す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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