JP6580479B2

JP6580479B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6580479B2
Application number: JP2015241487A
Authority: JP
Inventors: 智仁中野; 一農田子; 金澤　宏至; 宏至金澤
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2019-09-25
Anticipated expiration: 2035-12-10
Also published as: WO2017099002A1; JP2017108565A

Description

本発明は、回転電機に関する。

近年、自動車向けパワーステアリングの分野において、従来の油圧式と比較して数％の燃費向上が見込まれる電動パワーステアリングが急速に普及している。電動パワーステアリングの動力源として用いられる永久磁石同期モータでは、操舵感の滑らかさの観点から、無通電時のトルク脈動であるコギングトルクの要求仕様が、他の用途のモータに比べて非常に厳しい。このコギングトルクを低減するための方法として、固定子のティース表面に溝または突部を設ける構造が特許文献１や特許文献２等に記載されている。

特許文献１ではティース先端に設けた溝の幅を調節することによりコギングトルクの位相を反転させられることを見出し、溝の幅が異なり、かつコギングトルクが互いに逆位相である２種類の固定子鉄心を回転軸方向に組み合わせてコギングトルクを相殺している。この構造では、形状誤差等により補助溝の幅が理想値と異なっていても、固定子鉄心の形状を変えずに積層比率を調整することでコギングトルクを低減できる。

また、特許文献２では、特許文献１と同様にコギングトルクが逆位相である固定子鉄心を軸方向に組み合わせているが、コギングトルクの位相を反転させるための構造として、溝ではなく突部をティース先端に設けている。

特開２００６−２３０１１６号公報ＷＯ２００９／１１９７３４号公報

特許文献１の構造では、コギングトルクを反転させるために広い幅の溝を設ける必要があり、このためコイルに入射する磁束の量が減少し通電時のトルクが低下するという問題がある。

また、特許文献１の溝や特許文献２の突部の微小な形状誤差がコギングトルクに及ぼす影響が大きい場合には、製品ごとのコギングトルクにばらつきが出てしまう可能性がある。本発明では、上記の課題を解決するために、溝の幅ではなく深さを調節することによりコギングトルクの位相を反転させ、互いにコギングトルクが逆位相となる固定子鉄心を回転軸方向に組み合わせることで、トルクの低下を抑えつつコギングトルクの低減を図る。また、形状誤差の影響を受けにくい深さの溝を設けることで、製品ごとのコギングトルクのばらつきが少ない回転電機を提供する。

前記課題を解決するための本発明は、巻線が巻回される固定子鉄心と、磁界を生じる回転子と、を備え、固定子鉄心は、磁束が入射する面において、回転子の回転軸からの距離が第１距離となる第１面と、当該第１距離とは異なる距離である第２距離となる第２面と、を有し、第１面と第２面の距離の差を設けることにより生じるコギングトルクの振幅が、極値を含む第１範囲となるように第２面が形成され、前記コギングトルクの位相とは逆位相であって、コギングトルクの振幅の極値を含む第２範囲となるように形成される深さの溝を設けることを特徴とする回転電機である。

本発明の回転電機は、溝の幅ではなく溝の深さの調節によりコギングトルクの位相を反転させるため、溝の幅を広げることなくコギングトルクを調節でき、トルクの低下を抑えつつコギングトルクを低減することが可能である。また、溝の深さを、コギングトルクの振幅が極値を取る値とすることで、形状誤差によるコギングトルクのばらつきを低減させることができる。
なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る回転電機の断面図。本発明の実施例１に係る固定子鉄心の一部を模式的に示す斜視図。本発明の実施例１に係る固定子鉄心の一部の断面図。本発明の実施例１に係る固定子鉄心の一部の断面図。本発明の実施例１に係る溝の深さとコギングトルクの振幅との関係を示す図。本発明の実施例１に係るコギングトルク波形を示す図。本発明の実施例２に係る固定子鉄心の一部を模式的に示す斜視図。本発明の実施例２に係る固定子鉄心の一部の断面図。本発明の実施例２に係る固定子鉄心の一部の断面図。本発明の実施例２に係る溝の深さとコギングトルクの振幅との関係を示す図。本発明の実施例２に係るコギングトルク波形を示す図。本発明の実施例３に係る段スキューが設けられた回転子の斜視図。本発明の実施例３に係るコギングトルク波形を示す図。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

［実施例１］
実施例１は、巻線が巻回される固定子鉄心と、磁界を生じる回転子とを備え、固定子鉄心は、磁束が入射する面において、回転子の回転軸からの距離が第１距離となる第１面と、当該第１距離とは異なる距離である第２距離となる第２面とを有し、第１面と第２面の距離の差を設けることにより生じるコギングトルクの振幅が、極値を含む第１範囲となるように第２面が形成され、また、第１面と第２面の距離の差を設けることにより生じるコギングトルクの位相とは逆位相であって、コギングトルクの振幅の極値を含む第２範囲となるように形成される深さの溝を設けることを特徴とする回転電機である。

図１は、本発明の実施例１に係る回転電機の断面図である。図に示すように、回転電機１は、薄板状の固定子鉄心１０を複数枚積層して形成される固定子２０と、薄板状の回転子鉄心３０を複数枚積層し、永久磁石４０を配置して形成される回転子５０とを備えている。固定子２０の内周側には、複数のティース６０及び巻線を巻回するためのスロット７０が周方向に等間隔に設けられている。なお、図１では巻線の図示を省略している。

図２は、本発明の実施例１に係る固定子鉄心１０の一部を模式的に示す斜視図、図３Ａ，図３Ｂは、固定子鉄心Ａと固定子鉄心Ｂの断面図である。
固定子鉄心１０は、ティース６０の先端側に、回転子５０との間に所定の間隙を有して対向する対向面である第１面８０と第２面９０を有している。第１面８０は、磁束が入射する面であり、回転子５０の回転軸５１からの距離が第１距離Ｌ１となるように設けられている。第２面９０は、回転子５０の回転軸５１からの距離が第１距離とは異なる距離である第２距離Ｌ２となるように設けられている。本実施例では、第１距離Ｌ１よりも第２距離Ｌ２の方が長くなるように設定されており（Ｌ１＜Ｌ２）、第１面８０よりも第２面９０の方がティース６０内に入り込んだ位置に配置される。すなわち、第２面９０は、第１面８０に溝を設けることで形成される。第２面９０は、第１面８０に設けられた浅溝の底面によって構成される。浅溝は、溝１００よりも溝深さが浅い。

固定子鉄心１０は、第１面８０の一部に、第１面８０よりも回転子５０の回転軸５１からの距離が遠い第２面９０を設けることによって形成された溝９１を有する固定子鉄心Ａと、第２面９０よりもさらに回転軸５１からの距離が遠い底面１０１を設けることによって形成された溝１００を有する固定子鉄心Ｂとを、回転軸方向に積層することで形成される。なお、実施例１では、第２面９０及び溝１００は、第１面８０の周方向中央に設けられている。溝１００の底面１０１は、第２面９０よりも回転子５０の回転軸５１からの距離が遠い位置に配置される。すなわち、溝１００の底面１０１と第２面９０は、第１面８０からの深さが回転軸の軸方向に異なっており、溝１００の底面１０１の方が第２面９０よりも深くなっている。

固定子鉄心Ａと固定子鉄心Ｂに形成されている溝９１、１００の深さをそれぞれＤａ、Ｄｂとする。また、実施例１では２つの固定子鉄心の溝９１、１００の溝幅が同じであるが、異なっていても良い。実施例１では、回転子５０の磁極数Ｍ（Ｍは自然数）と固定子２０のスロット数Ｎ（Ｎは自然数）との比が２：３となる場合を想定しているが、本発明による構造はこの比が異なる回転電機にも適用できる。

磁極数Ｍとスロット数Ｎの最小公倍数をＬとすると、コギングトルクは回転子５０の１回転あたりＬ回脈動する成分（Ｌ次成分）が支配的であることが多い。実施例１ではＭ＝８、Ｎ＝１２、Ｌ＝２４であり、コギングトルクの支配的な成分は２４次である。

図４は、溝の深さとコギングトルクＬ次成分の振幅との関係を示した図である。図４では、縦軸はコギングトルクＬ次成分の振幅、横軸は溝の深さである。また、振幅の符号が異なる場合は、位相が互いに反転していることを示している。

Ｌ次成分が０となる溝の深さＤ０の付近では、溝の深さのコギングトルクに対する感度が高い（溝深さの変化に対するコギングトルクの変化が大きい）ため、この深さの溝を設けると、微小な寸法誤差の影響により製品のコギングトルクにばらつきが出てしまうと考えられる。そこで、コギングトルクに対する感度が低くなるように、溝の深さを調節することを考える。

コギングトルクの振幅は、第１面８０と第２面９０との間における回転子５０の回転軸５１からの距離の差（Ｌ２−Ｌ１）を設けることにより調節できる。固定子鉄心Ａに設けられる第２面９０は、コギングトルクの振幅の極値Ｄ１を含む第１範囲Ｄｓ１となる位置に形成される。そして、固定子鉄心Ｂに設けられる溝１００は、固定子鉄心Ａのコギングトルクの位相とは逆位相であって、コギングトルクの振幅の極値Ｄ２を含む第２範囲Ｄｓ２となるように、その深さが設定されている。図４に示すＤ１付近の第１範囲Ｄｓ１とＤ２付近の第２範囲Ｄｓ２は、それぞれコギングトルクＬ次成分の振幅が極小および極大となっているため、溝の深さに対するコギングトルクの感度が低く、かつ互いに逆位相である。よって、これら２つの溝の深さで作製したコアを軸方向に組み合わせて積層することで、コギングトルクが小さく、ばらつきが小さいモータを作製できる。

固定子鉄心Ａと固定子鉄心Ｂのコギングトルクの位相が互いに逆であるとき、それぞれの単位積み厚当たりのコギングトルクＬ次成分の振幅の絶対値をＴａ、Ｔｂとすると、固定子鉄心Ａと固定子鉄心Ｂの積層枚数Ｎａ、Ｎｂが以下の式を満たす時、コギングトルクが相殺される。
ＮａＴａ＝ＮｂＴｂ（１）

図５は、Ｄａ＝Ｄ１、Ｄｂ＝Ｄ２とし、式(１)を満たす比率で固定子鉄心Ａと固定子鉄心Ｂを積層した実施例１の場合と、従来の溝が無い固定子鉄心の場合のコギングトルク波形を示す図である。縦軸はコギングトルク、横軸は電気角であり、コギングトルクＬ次成分（実施例１では２４次）の１周期分である６０度分を示してある。コギングトルクは、図５に示すように、対向面に溝が設けられていない従来構造では、Ｌ次成分が支配的であり、振幅が大きいが、実施例１では、Ｌ次成分が相殺され、コギングトルクが低減されている。

［実施例２］
前記実施例１では、第２面９０の回転軸５１からの距離Ｌ２を第１面８０の距離Ｌ１よりも遠くすることで溝を設けた場合を想定したが、実施例２では第２面９０の回転軸５１からの距離Ｌ２を第１面８０の回転軸５１からの距離Ｌ１よりも近くすることで、突部を設けた場合について説明する。

図６は実施例２の固定子鉄心１０の一部を模式的に示す斜視図、図７Ａ、図７Ｂは、固定子鉄心Ｃと固定子鉄心Ｄの断面図である。本実施例では、第１距離Ｌ１の方が第２距離Ｌ２よりも長くなるように設定されており（Ｌ１＞Ｌ２）、第２面９０が第１面８０から突出した位置に形成される。第２面９０は、第１面８０に突部９２を設けることで形成される。突部９２は、第１面８０からの突出量が溝１００の溝深さＤｄよりも小さい。

固定子鉄心１０は、第１面８０の一部に、第１面８０よりも回転軸５１からの距離が近い第２面９０を設けることによって形成された突部９２を有する固定子鉄心Ｃと、第１面８０よりも回転軸５１からの距離が遠い底面１０１を設けることによって形成された溝１００を有する固定子鉄心Ｄとを、回転軸方向に積層することで形成されている。鉄心Ｄに形成されている溝の深さをＤｄとする。

図８は溝の深さとコギングトルクＬ次成分の振幅との関係を示した図である。なお図８では、縦軸はコギングトルクＬ次成分の振幅、横軸は溝の深さである。また、振幅の符号が異なる場合は、位相が互いに反転していることを示している。

実施例１と同様に、Ｌ次成分が０となる溝の深さＤ０の付近では、溝の深さのコギングトルクに対する感度が高い（溝深さの変化に対するコギングトルクの変化が大きい）ため、この深さの溝を設けると、製品のコギングトルクにばらつきが出てしまうと考えられる。そこで、コギングトルクに対する感度が低くなるように、溝の深さを調節することを考える。

図８に示すＤ１付近の第１範囲Ｄｓ１とＤ２付近の第２範囲Ｄｓ２は、それぞれコギングトルクＬ次成分の振幅が極小および極大となっているため、溝の深さに対するコギングトルクの感度が低く、かつ互いに逆位相である。よって、これら２つの溝の深さで作製したコアを軸方向に組み合わせて積層することで、コギングトルクが小さく、ばらつきが小さいモータを作製できる。

固定子鉄心Ｃと固定子鉄心Ｄのコギングトルクの位相が互いに逆であるとき、それぞれの単位積み厚当たりのコギングトルクＬ次成分の振幅の絶対値をＴｃ、Ｔｄとすると、固定子鉄心Ｃと固定子鉄心Ｄの積層枚数Ｎｃ、Ｎｄとの間に以下の関係が成り立つ時、コギングトルクが相殺される。
ＮｃＴｃ＝ＮｄＴｄ（２）

図９に、Ｄｃ＝Ｄ１、Ｄｄ＝Ｄ２とし、式（２）を満たす比率で固定子鉄心Ｃと固定子鉄心Ｄを積層した実施例２の場合と、溝が無い場合（鉄心Ｃのみで積層した場合）のコギングトルク波形を示す。縦軸はコギングトルク、横軸は電気角である。コギングトルクは、溝なしの場合はコギングトルクＬ次成分が支配的であり、振幅が大きいが、実施例２の場合はＬ次成分が相殺され、コギングトルクが低減されている。

［実施例３］
前記実施例１では、コギングトルクのＬ次成分を低減する構造について述べたが、固定子鉄心１０に溝１００を設けることで２Ｌ成分が増加しており、コギングトルクを十分に低減できていない。そこで実施例３では、固定子鉄心１０に設けた溝１００でＬ次成分を低減しつつ、回転子５０に段スキューを設けることで２Ｌ次成分を低減する構造について説明する。

回転子５０の磁石数をＭ（Ｍは自然数）、固定子鉄心１０に設けられたティース６０の数をＮ（Ｎは自然数）、ＭとＮの最小公倍数をＬとするとき、回転子５０には、コギングトルクのＬ次成分を最小にするスキュー角度よりも小さい角度の段スキューが設けられている。

図１０は段スキューが設けられた場合の回転子５０の斜視図である。図中のθｓはスキュー角度である。θｓが以下の（３）式を満たすとき、コギングトルクのＰ次成分（Ｐは自然数）を打ち消すことができる。
θｓ＝３６０°÷Ｐ÷２（３）

θｓが大きいほど通電時のトルクが低下してしまうが、２Ｌ次成分を段スキューによって打ち消す場合は、Ｌ次成分を打ち消す場合よりもθｓが小さくて済むため、Ｌ次成分を段スキューで打ち消す場合よりもトルクの低下が少ない。

図１１に実施例１と同様の溝を設けた固定子２０と段スキューを設けた回転子５０を組み合わせた実施例３の場合と、段スキューを設けていない実施例１のコギングトルク波形を示す。実施例１ではコギングトルクのＬ次成分は取り除かれているが、２Ｌ次成分が残っている。一方、実施例３の場合は、Ｌ次、２Ｌ次の両方を取り除くことができるため、実施例１よりもコギングトルクを低減できている。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１回転電機
１０固定子鉄心
２０固定子
３０回転子鉄心
４０永久磁石
５０回転子
５１回転軸
６０ティース
７０スロット
８０第１面
９０第２面
９１溝
９２突部
１００溝
１０１底面

Claims

巻線が巻回される固定子鉄心と、磁界を生じる回転子と、を備え、
前記固定子鉄心は、磁束が入射する面において、前記回転子の回転軸からの距離が第１距離となる第１面と、当該第１距離とは異なる距離である第２距離となる第２面と、を有し、
前記第１面と前記第２面の距離の差を設けることにより生じるコギングトルクの振幅が、極値を含む第１範囲となるように前記第２面が形成され、
前記コギングトルクの位相とは逆位相であって、前記コギングトルクの振幅の極値を含む第２範囲となるように形成される深さの溝を設けることを特徴とする回転電機。
前記第２面及び前記溝は、前記固定子鉄心に設けられた各ティースの磁束が入射する面において、周方向中央に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第２面は、前記第１面に溝を設けることで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記第２面は、前記第１面に突部を設けることで形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記回転子の磁石数をＭ（Ｍは自然数）、前記固定子鉄心に設けられたティースの数をＮ（Ｎは自然数）、ＭとＮの最小公倍数をＬとするとき、
前記回転子に、前記コギングトルクのＬ次成分を最小にするスキュー角度よりも小さい角度の段スキューが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記溝の底面は、前記第２面よりも前記回転子の回転軸からの距離が遠い位置に配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。