JP7475482B2 - 回転電機および電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本願は、回転電機および電動パワーステアリング装置に関するものである。

近年、自動車に搭載されたエンジン、回転電機の静音化の進展に伴い、車室内のさらなる低騒音化の要求が高まっている。その中で、回転電機を用いて操舵力のアシストを行う電動パワーステアリング装置についても作動音低減が求められている。電動パワーステアリング装置の作動音の要因の１つとして、ステアリングホイールを操舵して回転電機がアシストトルクを出力した際に生じるトルク脈動成分が存在する。回転電機の出力軸を介してトルク脈動成分が電動パワーステアリング装置に伝搬することが問題として挙げられる。従って電動パワーステアリング装置に搭載される回転電機はトルク脈動を低減することが求められている。

電動パワーステアリング装置に搭載される回転電機としては、製造性、コストの観点から、固定子の電機子巻線として集中巻方式を採用した回転電機が搭載されることが多い。特に集中巻方式として基本的な構成である２極３スロットに対する整数倍の永久磁石型回転電機が採用されることが多い。しかしながら、同方式の永久磁石型回転電機は、トルク脈動に影響する高調波成分に対する巻線係数が大きいことから、トルク脈動が大きくなる課題がある。

電動パワーステアリング装置に搭載された回転電機では、特に据切り操舵を行う際、路面の反力に応じた大きなトルクが必要となり、回転電機の電機子巻線に非据切り操舵時よりも大きな電流が通電される。このとき、回転電機が生じる平均トルクが大きくなるため、トルク脈動も大きくなる。よって電動パワーステアリング装置に求められる低作動音性能を満たすためには、据切り操舵を行う場合の電流条件において、回転電機のトルク脈動を低減することが必要である。

ＥＶ（Electric Vehicle）、ＨＥＶ(Hybrid Electric Vehicle)など、駆動時の騒音が小さい車両に対しては、据切時に電動パワーステアリング装置に要求される作動音もより小さなものが求められてきている。このような低作動音の要求に対して、回転電機に求められるトルク脈動は回転電機が生じる平均トルクに対して、トルク脈動の各次数成分がそれぞれ１％以下であることが望ましい。

そこで回転子を回転軸方向に二つの回転子ブロックに分割し、周方向に互いに角度をずらして同軸に配置した構成が提案されている。上段側回転子ブロックと、下段側回転子ブロックに周方向の角度を設けて、各回転子ブロックに生じるトルク脈動成分を反転させることで、トルク脈動を打消す技術が提案されている。（例えば特許文献１、２）

国際公開第２０１７／１０４４３６号 特開２００４－１５９４９２号公報

電動パワーステアリング装置に搭載された回転電機では、回転子は、軸心に垂直な断面の外形が正多角形状の中心体を有する。中心体の、正多角形状の各辺に対応する複数の平面部のそれぞれに永久磁石が設けられる。この永久磁石は、軸心に垂直な断面の径方向外側が円弧状であり径方向内側が直線状である。回転子には、このような中心体と、中心体の平面部ごとの永久磁石を有した回転子ブロックが二段分備えられ、周方向に予め設定された角度ずつずらして軸方向に並べられ一体的に回転する。このように、回転子ブロックを周方向に所定角度ずらしてとりつける回転子をスキュー構造と称し、ずらす角度をスキュー角と称する。

特許文献１、２のように二段のスキュー構造を採用した永久磁石型回転電機では、二段スキュー部の上段側回転子ブロックと下段側回転子ブロックに回転方向の位相差が生じる。これにより、固定子の電機子巻線が作る回転磁界に対して、回転子ブロックの片側が進み位相、片側が遅れ位相となる。このとき、スキュー角を適正に設定して、トルク脈動を低下させることができる。

また、回転子の永久磁石の形状を適切に設定することにより、トルク脈動を低下させることができる。

固定子は、円環部と円環部から径方向内側に延出し周方向に間隔を空けて配置された複数のティース部とを有する鉄心と、ティース部に巻回された巻線と、を備える。ティース部の先端は、隣接するティース部へ周方向に突設した鍔部を有している。コギングトルクは回転子と固定子のティースの磁気吸引力の変動によって生じる。磁気吸引力の変動は、回転子が回転した際に、ティース間のスロットの開口部分において磁気吸引力が変動することによって生じる。よって、スロットの開口部分の隙間が狭くなると、磁気吸引力の変動が小さくなる。ティース部の先端が鍔部を有することで、スロットオープン部分の間隔を狭くすることができ、回転子の回転によるコギングトルクを低減することができる。従ってティース部の鍔部によって回転電機が備えられた電動パワーステアリング装置の作動音低減、および操舵フィーリングを向上することができる。

ここで、さらにトルク脈動を抑制するためには、ティース先端の鍔部の磁気飽和のアンバランスを解消することが必要である。そのためには、据切り条件にて上段側回転子ブロック、下段側回転子ブロックに対向する鍔部が互いにバランスよく磁気飽和することが有効である。回転子の永久磁石の厚さで決定される磁石磁束と、鍔部の根元の径方向の厚さで決定されるティース先端の磁気回路の関係を適正に規定した回転電機を使用することによってトルク脈動を抑制することができる。

本願の課題は、トルク脈動を抑制するために、回転子の永久磁石の厚さと、固定子のティース鍔部の根元の径方向の厚さを適切に設定することである。

また、本願の課題は、同様にトルク脈動を抑制するために、回転子の永久磁石の厚さと固定子のティース鍔部の根元の径方向の厚さを適切に設定した回転電機を備えた電動パワーステアリング装置を得ることである。

本願に係る回転電機は、
固定子と、固定子の径方向内側に配置された回転子と、を備えた回転電機であって、
固定子は、円環部と円環部から径方向内側に延出し周方向に間隔を空けて配置された複数のティース部とを有する鉄心と、ティース部に巻回された巻線と、を備え、
回転子は、軸心に垂直な断面の外形が正多角形状の中心体と、中心体の正多角形状の各辺に対応する複数の平面部のそれぞれに設けられ、軸心に垂直な断面の径方向外側が円弧状であり径方向内側が直線状である複数の永久磁石と、を有した回転子ブロックを複数備え、
複数の回転子ブロックは、周方向に予め設定された角度ずつずらして、軸方向に並べられ、一体的に回転し、
ティース部の先端は、隣接するティース部の先端に向かって周方向に突出した鍔部を備え、
永久磁石は、周方向の中央で、平面部に対する最大高さを有し、
ティース部は３Ｎ個であり、
中心体は２Ｎ角形状であり、
永久磁石は平面部の端部で最小高さを有し、
回転子は二個の回転子ブロックを有し、
Ｎは自然数であって、
回転時のトルク脈動を１％以下に低減するために、
角度とＮとの積が、２５．２よりも大きく、４０．０よりも小さくなるよう設定し、かつ、
永久磁石の最小高さと永久磁石の最大高さの比が、０．３５５よりも大きく、０．４５５よりも小さくなるよう設定し、かつ、
鍔部の根元の径方向の厚さと永久磁石の最大高さの比が０．６６よりも小さくなるよう設定したことを特徴としたものである。

本願に係る電動パワーステアリング装置は、上記の回転電機を備えたものである。

回転電機の回転子の永久磁石の厚さと、固定子のティース鍔部の根元の径方向の厚さを適切に設定できるので、ティース先端の鍔部の磁気飽和のアンバランスを解消できる。このため、電動パワーステアリング装置を据切り条件で駆動した場合に上段側回転子ブロック、下段側回転子ブロックにそれぞれ生じるトルク脈動のアンバランスを低減することができ、トルク脈動を抑制した回転電機を実現することができる。

この回転電機を用いることで、トルク脈動のアンバランスを低減することができ、トルク脈動を抑制した電動パワーステアリング装置を実現することができる。

実施の形態１に係る回転電機が搭載された電動パワーステアリング装置の構成図である。 実施の形態１に係る回転電機装置の回転軸に沿った断面図である。 実施の形態１に係る回転電機の回転軸に垂直な断面図である。 実施の形態１に係る回転電機の回転子を示した図である。 実施の形態１に係る回転電機の回転軸に垂直な断面図の拡大図である。 実施の形態１に係る回転電機の電流に対するトルク脈動のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係る回転電機の回転子ブロックごとのトルク脈動のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係るスキュー角に対するトルク脈動のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係るＴｍ２／Ｔｍに対するトルク脈動のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係るＷｔ／Ｔｍに対するトルク脈動のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態１に係るＷｓ／Ｗｇに対するトルク脈動のシミュレーション結果を示す図である。 実施の形態２に係る回転電機の回転軸に垂直な断面図である。

以下、本願の実施の形態について図面を参照して説明する。

１．実施の形態１
図１に、実施の形態１に係る回転電機１が搭載された電動パワーステアリング装置１００の構成図を示す。電動パワーステアリング装置１００では、運転者はステアリングホイール（不図示）を操舵し、そのトルクがステアリングシャフト（不図示）を介してシャフト１０１に伝達される。このときトルクセンサ１０２が検出したトルクは、電気信号に変換されケーブル（不図示）を通じて第一のコネクタ３７を介してＥＣＵ３０に伝達される。

また、車速などの車両の情報が電気信号に変換されて第二のコネクタ３８を通じて電動パワーステアリング装置１００のＥＣＵ３０に伝達される。ＥＣＵ３０は、上記トルクと車速などの車両の情報から、必要なアシストトルクを演算し、ＥＣＵ３０に隣接配置された電動パワーステアリング装置１００の回転電機１に電流が供給される。ＥＣＵ３０への電源は、バッテリ（不図示）、オルタネータ（不図示）から電源コネクタ３９を介して供給される。

回転電機１で発生したトルクは、ベルト（不図示）とボールネジ（不図示）が内蔵されたギヤボックス１０３を介してハウジング１０４内のラック軸（不図示）を軸方向に動かす推力を発生させ、運転者による操舵力をアシストする。これにより、タイロッド１０５が動き、タイヤ（不図示）が転舵して車両を旋回させることができる。

この結果、運転者は、回転電機１のトルクによってアシストされ、少ない操舵力で車両を旋回させることができる。ラックブーツ１０６は、異物が装置内に侵入しないように設けられている。

図２は、実施の形態１に係る回転電機装置９０の回転軸２１に沿った断面を示す断面図である。回転電機装置９０は回転電機１とＥＣＵ３０から構成される。回転電機１は、固定子１０と、この固定子１０が内壁面に固定された円筒形状のフレーム２と、フレーム２の片側開口部を複数本のボルト６で固定して覆った回転電機ハウジング３と、固定子１０の内側に回転自在に設けられた回転子２０と、を備えている。

固定子１０は、固定子鉄心（固定子コアとも称する）１１と、電機子巻線１２とを有している。固定子鉄心１１は、電磁鋼板などの磁性体のコアシートを積層して構成されている。電機子巻線１２は、固定子鉄心１１に巻回されている。

回転子２０は、回転軸２１、中心体（回転子鉄心、回転子コアとも称する）２２、永久磁石２３、プーリ２４、センサ用永久磁石２５を有している。回転軸２１は、回転電機ハウジング３に嵌着された第一の軸受４と、壁部７に嵌着された第二の軸受５とにより両端部が支持されている。中心体２２は、電磁鋼板などの磁性体の正多角形状のコアシートを積層して構成されている。中心体２２はブロック鋼材を用いて構成してもよい。回転軸２１が中心体２２を貫通している。

中心体２２の、回転軸２１に垂直な断面が正多角形状の各辺に対応する複数の平面部２２ａのそれぞれに永久磁石２３が配置されている。回転軸２１の一端部には、プーリ２４が固定され、他端部にセンサ用永久磁石２５が固定されている。配線基板３２には、回転角度センサである磁気センサ３１が設けられている。磁気センサ３１は、対向したセンサ用永久磁石２５の位置を感知し、回転軸２１の回転角度を検出可能とする。

ＥＣＵ３０は、前述した磁気センサ３１が搭載された配線基板３２、ヒートシンク３３、スイッチング素子３４、制御配線基板３５、部品間を接続する回路から構成される中間部材３６、などを備える。制御配線基板３５は、磁気センサ３１によって検出した回転軸２１の角度から回転子２０の位置情報を算出する。そしてＣＰＵが搭載された制御配線基板３５は、回転子２０の位置情報に基づいてスイッチング素子３４を駆動し回転電機１に電流を供給する。

回転電機１で発生したトルク脈動は、前述した図１に記載のギヤボックス１０３、ハウジング１０４、タイロッド１０５、シャフト１０１に振動として伝達される。その結果、電動パワーステアリング装置１００自体、および電動パワーステアリング装置１００を取付けた車両が振動することで、作動音が発生する。トルク脈動が大きい場合、発生する作動音も増加するため、ドライバーの静粛性に関する要求を満足できず、電動パワーステアリング装置１００の品質が低下することとなる。

特に電動パワーステアリング装置１００を据切り操舵した際には路面の反力が大きくなるため、ステアリングホイールの操舵に必要な力が大きくなり、回転電機１が発生する平均トルクも大きくなる。よって、回転電機１のトルク脈動も大きくなる。電動パワーステアリング装置１００の品質を確保するためには、据切り操舵に用いる条件において、回転電機１のトルク脈動を低減することが必要である。

ドライバーの感知する作動音は、作動音における各次数成分のピークで判断される。加えて、作動音の各次数成分のピークは、トルク脈動の各次数成分のピークに依存する。従って電動パワーステアリング装置１００の回転電機１に要求されるトルク脈動は、据切り操舵時において、各トルク脈動の次数成分に対して、波形の上限ピークと下限ピークの差異が、平均トルクに対して望ましくは１％以下、より望ましくは０．５％以下であることが求められる。

また、回転電機１における、無通電状態で回転子２０と固定子１０のティース部１１ｂの磁気吸引力の変動によって発生するトルク脈動を示すコギングトルクに関しては、電動パワーステアリング装置１００の通電状況によらず、前述したギヤボックス１０３、ハウジング１０４、タイロッド１０５、シャフト１０１を通してステアリングホイールに伝達する。よってコギングトルクが大きい場合、前述した作動音、ドライバーのステアリングホイールの操舵フィーリングが悪化し、電動パワーステアリング装置１００の品質が著しく低下する課題がある。よって、回転電機１については、トルク脈動の低減と、コギングトルクの低減が両立されることが望ましい。

図３は、実施の形態１に係る回転電機１の回転軸２１に垂直な断面を示す断面図である。固定子１０は、円環部（コアバックとも称する）１１ａと、ティース部１１ｂと、を有す。円環部１１ａには、円環部１１ａから内径方向に延びた計１２個のティース部１１ｂが設けられている。互いに隣接したティース部１１ｂの間にはスロット１３が形成されている。また、前記スロット１３には電機子巻線１２が巻装された複数のコイル部が形成されている。

固定子１０は、１２個のティース部１１ｂにインシュレータ（不図示）を介してそれぞれ銅線の電機子巻線１２が集中巻で巻回されている。ティース部１１ｂの先端は隣接するティース部１１ｂの先端に向かって周方向に突出した鍔部１１ｃを備えている。

コギングトルクは回転子２０と固定子１０のティース部１１ｂの磁気吸引力の変動によって生じる。磁気吸引力の変動は、回転子２０が回転した際に、ティース部１１ｂ間のスロット１３の開口部分１３ａにおいて磁気吸引力が変動することによって生じる。スロット１３の開口部分１３ａが小さくなると、磁気吸引力の変動が小さくなる。鍔部１１ｃを有することで、スロット１３の開口部分１３ａを小さくすることができ、回転子２０の回転によるコギングトルクを低減することができる。従って同回転電機１が備えられた電動パワーステアリング装置１００の作動音を低減し、操舵フィーリングを向上することができる。

回転子２０は、固定子１０の内側に設けられた回転軸２１、中心体（回転子鉄心）２２、永久磁石２３を備える。中心体２２は、軸心に垂直な断面の外形が正八角形状であり、正八角形状の各辺に対応する複数の平面部２２ａのそれぞれに永久磁石２３が設けられている。永久磁石２３は軸心に垂直な断面の径方向外側の磁石外径面２３ａが円弧状であり径方向内側の磁石内径面２３ｂが直線状である。磁石端部面２３ｃは磁石径方向内側の平面に対してほぼ垂直の平面形状である。

永久磁石２３には一般に、希土類磁石が使用されている。車両に搭載される回転電機は小型軽量で耐久性が求められるので、希土類磁石が最適だからである。希土類磁石としては、ネオジム磁石（Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ）、サマリウムコバルト磁石（ＳｍＣｏ5、Ｓｍ2Ｃｏ17）、アルニコ磁石（Ａｌ-Ｎｉ-Ｃｏ）などの焼結生成された磁石が利用できる。これらの焼結生成された希土類磁石は、回転電機に必要なトルクを発生させるのに十分な残留磁束密度を有するため回転電機の使用に適している。最も広く使用されている磁石として、１．１Ｔ以上の残留磁束密度を有するネオジム焼結磁石を使用してもよい。ここで、Ｔはテスラを示し、単位面積当たりの残留磁束密度の大きさを表す単位である。

永久磁石２３は、回転軸２１に垂直な断面が正多角形状の中心体２２に接着剤を用いて固着される。また図示していないが回転子２０の磁気的空隙方向の外周部には、８つの永久磁石２３を包み込むように非磁性のＳＵＳ（ステンレス鋼）で構成されたカバーが巻回されている。永久磁石２３の固定強度を向上するとともに、永久磁石２３の飛散を防止する効果が得られる。なお、ここで正多角形状とは、正多角形だけでなく、正多角形を基本形として、角に面取りをし、角にＲをつけ、または永久磁石の位置決めのため平面部２２ａに凹凸を設けるなど、微小変更を加えた場合を含む形態を言う。実施の形態１では回転軸２１に垂直な断面が正八角形状の中心体２２としたが、回転軸２１に垂直な断面が角に面取りをした正八角形、角にＲを取った正八角形、永久磁石２３の位置を決定するため平面部２２ａに窪みまたは突起部を有した正八角形といった、回転軸２１に垂直な断面が正八角形状の中心体２２としても問題ない。このような微細な形状の変形は本願に係る回転電機の本質的な構成の変更を伴わず、本願に係る回転電機の効果を妨げるものではないので、微細な形状の変形を認めるものである。正多角形には正八角形以外の正四角形、正六角形、などの正複数角形も含み、これらについても同様である。

永久磁石２３の断面を円弧形状とすることにより、固定子１０と回転子２０の間の磁気的空隙部４１における磁束密度を滑らかにすることができ、トルク脈動を低減することができる。また非磁性のＳＵＳ製のカバーの巻回が容易であるといった効果が得られる。さらに、永久磁石２３の径方向外側を除いた磁石径方向内側、磁石端部面が平面形状であるため、永久磁石２３の加工が容易であるといった利点がある。

さらに、永久磁石２３の径方向内側、回転子２０の中心体２２の平面部２２ａが共に平面であるため、永久磁石２３と回転子２０の中心体２２の間の隙間を低減できるため、永久磁石２３を接着剤を用いて接着した場合の接着力が向上できる効果が得られる。また、磁石磁束は磁石内径面に垂直な方向に着磁されている。磁束の向きを揃えることで固定子１０の電機子巻線１２に鎖交する磁束量を増加でき、回転電機１のトルクを向上することが可能となる。

また、８個の磁極、１２個のティース部１１ｂを有する回転電機１は、２個の磁極と３個のティース部１１ｂから構成される磁気回路を周方向に４つ並べたものであるため、回転電機１を駆動した場合に固定子１０に生じる変形が四角形であるといった特徴を有する。したがって、変形が楕円または三角形の回転電機１に対して、固定子１０の振動量を低減することが可能となり、電動パワーステアリング装置１００の作動音低減が実現できるといった効果も得られる。

図４は、実施の形態１に係る回転電機１の回転子２０を示した斜視図である。回転軸２１の軸方向に二つの回転子ブロック２０ａ、２０ｂが隣接して設けられている。それぞれの回転子ブロック２０ａ、２０ｂは、回転軸２１に垂直な断面が正八角形の中心体２２と、中心体２２の正八角形の各辺に対応する平面部２２ａのそれぞれに備えられた永久磁石２３を合計８個ずつ有している。また、二つの回転子ブロック２０ａ、２０ｂは周方向にずらして配置されている二段スキュー構造となっている。ここで、スキュー角θｓの定義について説明する。スキュー角θｓは、上段回転子ブロック２０ａ、下段回転子ブロック２０ｂそれぞれにおける、回転軸２１方向になす角度である。２つの永久磁石２３について、中心部Ｍ１およびＭ２の周方向になす機械的な角度であり、具体的にはＭ１、Ｍ２それぞれについて回転子２０の回転軸２１に向けた線分の周方向になす角度である。

ここで、周方向のスキュー角θｓは、上段回転子ブロック２０ａと下段回転子ブロック２０ｂのトルク脈動について、電気角六次成分が打ち消されるように設定されており、設定値については後述する。二つの回転子ブロック２０ａ、２０ｂを周方向にずらして配置することで、回転子ブロック２０ａ、２０ｂそれぞれに生じるトルク脈動六次成分が互いに打ち消され、トルク脈動を低減するといった効果が得られる。

図５に実施の形態１に係る回転電機１の回転軸２１に垂直な断面の拡大図を示す。実施の形態１における回転電機１の断面の拡大図を示しており、詳細寸法を示している。永久磁石２３について、中心体２２の平面部２２ａ対する垂直方向の永久磁石最大高さをＴｍ、同じく平面部２２ａ対する垂直方向の永久磁石最小高さをＴｍ２、永久磁石の底面の幅をＷｍとしている。なお、永久磁石の角部に面取り部が設けられている場合、円弧状の磁石外径面における面取り部が無かった場合の仮想線と平面部２２ａから立ち上げた垂線との交点を、平面部２２ａに対する高さとして永久磁石最小高さＴｍ２を求める。

鍔部１１ｃの根元部の径方向の最大厚さを、鍔部根元径方向厚さＷｔとする。具体的には鍔部１１ｃ根元部のスロット１３側点から鍔部１１ｃ根元部の磁気的空隙部側まで、回転電機１の回転軸２１中心方向に計測した寸法を鍔部根元径方向厚さＷｔとしている。

隣り合う鍔部１１ｃ間の最小距離であるスロット１３の開口部分１３ａの長さを、隣接する鍔部の間隔Ｗｓとしている。また、回転子２０と固定子１０の間の磁気的空隙の最小部の寸法を、回転子と固定子の最小間隔Ｗｇとしている。ただし、非磁性であるＳＵＳ製のカバー（不図示）の厚さは除いた値である。

また、回転軸２１に垂直な断面が正多角形の中心体（回転子コアとも称する）の１辺の長さをＷｃとしている。ただし、本実施の形態のように回転軸２１に垂直な断面が正多角形ではない略正多角形の中心体の場合についても、断面が正多角形の中心体と考えた仮想線における幅としている。

図６は実施の形態１に係る回転電機１の電流に対するトルク脈動特性のシミュレーション結果を示した図である。以下のシミュレーションの前提として、永久磁石には希土類磁石を代表させて、残留磁束密度１．１Ｔ以上のネオジム焼結磁石を用いた場合を想定している。ここでトルク脈動は８極１２スロットにおける主要成分である電気角六次成分のピークからピークまでの振幅を、平均トルクで割って規格化した結果を示している。同図にて、据切操舵に必要な電流値は０．６～１．０［ｐ．ｕ．］であり、同電流を通電した場合にトルク脈動がより大きくなっていることがわかる。ここで、［ｐ．ｕ．］は、ｐ．ｕ．法で表した値であることを示し、基準値に対する相対量を示す。

図７は、同図における１．０［ｐ．ｕ．］の電流条件における前述した回転子ブロック２０ａ、２０ｂに生じるトルク脈動波形を規格化したシミュレーション結果を示す。ただし、電気角位相６０°分を示しており、一山がトルク脈動の電気角六次成分となる範囲を示している。

前述した二つの回転子ブロック２０ａ、２０ｂに対して、回転子ブロック２０ａに生じるトルク脈動六次成分と、回転子ブロック２０ｂに生じるトルク脈動六次成分が互いに位相、振幅にずれが生じていることがわかる。回転子ブロック２０ａと回転子ブロック２０ｂに周方向の位相差があることにより、固定子１０の電機子巻線１２が作る回転磁界に対して、位置が進み側（回転方向）にある回転子ブロック２０ａは強め界磁、遅れ側（反回転方向）にある回転子ブロック２０ｂは弱め界磁にそれぞれなるためである。

進み側（強め界磁）の磁石磁束が強められ、進み側の特に中心体２２のティース部１１ｂ先端の鍔部１１ｃが磁気飽和する。しかし、遅れ側の鍔部１１ｃは磁気飽和しない。上記の影響のため、磁気飽和がアンバランスとなり、二段スキュー部それぞれが生じるトルク脈動成分の振幅、位相が変化し、トルク脈動が打消されないため、トルク脈動が増加することが課題である。なお同図では回転子ブロック２０ａが進み位相の場合を示している。

ティース部１１ｂ先端の鍔部１１ｃの磁気飽和のアンバランスを解消するためには、据切り条件にて回転子ブロック２０ａ、回転子ブロック２０ｂの鍔部１１ｃが互いにバランスよく磁気飽和することが有効である。据切り操舵条件の鍔部１１ｃの磁気飽和は、前述した電機子巻線１２の発生する磁束とスキュー角θｓによって決定される進み、遅れの位相関係に影響される。それに加えて、据切り操舵条件の鍔部１１ｃの磁気飽和は、永久磁石２３の厚さで決定される磁石磁束と、鍔部１１ｃの形状で決定されるティース部１１ｂ先端の磁気回路によっても影響を受ける。したがって、スキュー角θｓと、永久磁石２３の厚さ、ティース部１１ｂ鍔部１１ｃの幅を適切に設定することが有効である。

図８から図１１は、は実施の形態１におけるトルク脈動のシミュレーション結果を示した図である。各図のトルク脈動は電気角六次成分を示しており、電気角六次成分のピークからピークまでの振幅を、平均トルクで割った結果を示している。

パラメータの適切な設定により、ティース部１１ｂ先端の鍔部１１ｃの磁気飽和のアンバランスを解消できる。このため、電動パワーステアリング装置１００を据切り条件で駆動した場合に回転子ブロック２０ａ、回転子ブロック２０ｂにそれぞれ生じるトルク脈動のアンバランスを低減することができる。トルク脈動をアシストトルクに対して１％以下まで低減できる。したがって、電動パワーステアリング装置１００の作動音の低減を実現できる。

図８は、実施の形態１に係るスキュー角θｓに対するトルク脈動を示す図である。スキュー角θｓを変化させた場合のトルク脈動六次成分との関係を示したシミュレーション結果である。スキュー角θｓが７．８°付近を中心に、スキュー角θｓが小さい場合、大きい場合にトルク脈動が大きくなっている。

これはスキュー角θｓが大きい場合は、前述した進み側（強め界磁）の磁石磁束がさらに強められ、進み位相側の特に中心体２２のティース部１１ｂ先端の鍔部１１ｃが遅れ側の鍔部１１ｃに対して磁気飽和するためである。一方、スキュー角θｓが小さい場合は、トルク脈動波形の位相ずれと回転子ブロック２０ａ、回転子ブロック２０ｂの位相ずれが一致せず、十分なキャンセル効果が得られないためである。

実施の形態１では、スキュー角θｓが、
６．３ ＜θｓ＜１０．０
に設定されているため、トルク脈動を１％以下まで低減することができる。

図９は実施の形態１に係るＴｍ２／Ｔｍに対するトルク脈動を示す図である。前述した範囲内にスキュー角θｓを設定した場合における、永久磁石の形状を変化させた場合のトルク脈動六次成分との関係を示したシミュレーション結果である。

永久磁石の形状を規定する永久磁石最大高さＴｍと永久磁石最小高さＴｍ２の比であるＴｍ２／Ｔｍを変化させた場合のトルク脈動六次成分との関係を示す。Ｔｍ２／Ｔｍが０．４付近を中心に、小さい場合、大きい場合にトルク脈動が大きくなっている。

磁石端部厚すなわち永久磁石最小高さＴｍ２がより小さくなり、Ｔｍ２／Ｔｍが０．４より小さくなると、進み側の回転子ブロック２０ａ、に面する磁石部の磁石厚が遅れ側回転子ブロック２０ｂに面する磁石部の磁石厚に対してより小さくなる。

この場合、進み側の磁気飽和が相対的に小さくなり、磁気飽和にアンバランスが発生するためにトルク脈動が大きくなる。すなわち、スキュー角θｓによる脈動に対するキャンセル効果が十分に得られないため、トルク脈動が増加する。

逆に、磁石端部厚すなわち永久磁石最小高さＴｍ２がより大きくなり、Ｔｍ２／Ｔｍが０．４より大きくなると磁石の端部の厚さが大きくなる。このため、空隙における磁束密度の変化が大きくなり、滑らかでなくなるため、トルク脈動が大きくなる。

実施の形態１では、磁石形状を規定する永久磁石最大高さＴｍと永久磁石最小高さＴｍ２の比、Ｔｍ２／Ｔｍが、
０．３５５＜ Ｔｍ２／Ｔｍ＜０．４５５
に設定されているため、トルク脈動を１％以下まで低減することができる。

図１０は、実施の形態１に係るＷｔ／Ｔｍに対するトルク脈動を示す図である。スキュー角θｓとＴｍ２／Ｔｍを、以下の範囲に設定してシミュレーションを実施している。
６．３ ＜θｓ＜１０．０
Ｔｍ２／Ｔｍを、０．３５５＜ Ｔｍ２／Ｔｍ＜０．４５５

この状態で、鍔部根元径方向厚さＷｔと永久磁石最大高さＴｍの比であるＷｔ／Ｔｍを変化させた場合のトルク脈動六次成分との関係を示したシミュレーション結果が図１０に示されている。
Ｗｔ／Ｔｍ＜０．６６
と設定することによって、トルク脈動を１％以下まで低減することができる。言い換えれば、鍔部の根元の径方向の厚さＷｔを、永久磁石最大高さＴｍの三分の二よりも小さくすればよい。

そうすれば、鍔部１１ｃ幅が永久磁石２３の磁束量に対して小さくなるため、回転子ブロック２０ａ、回転子ブロック２０ｂそれぞれが磁気飽和し、アンバランスが解消される。このため、トルク脈動を減少させることができる。

以上のようにスキュー角θｓと、永久磁石２３の形状を決定するＴｍ２／Ｔｍ、鍔部根元径方向厚さと永久磁石の磁束量の比率Ｗｔ／Ｔｍを適切に設定することにより、トルク脈動を減少させることができる。ＥＶ、ＨＥＶなどの低作動音が求められる車両に対して、８個の磁極、１２個のティース部１１ｂを有する回転電機１を備えた電動パワーステアリング装置１００を適用できる。

図３から図５では、８極１２スロットの例を示したが、極数が２Ｎ、スロット数が３Ｎ（Ｎは自然数）とした場合についても、同様の効果が得られる。ただしこの場合、スキュー角θｓについては、以下のように設定する。
２５．２／Ｎ ＜θｓ＜４０．０／Ｎ

このように設定することで、トルク脈動を１％以下まで低減できる。また、前述したようにＮを４以上とすることで固定子１０の変形形状を四角形以上とすることができる。その結果、固定子１０の変形形状が楕円、三角形の回転電機１に対して、フレーム２の振動量を低減することが可能となる。回転電機１の振動を低減でき、電動パワーステアリング装置１００のさらなる作動音低減が実現できる。

以上のことより、極数が２Ｎ、スロット数が３Ｎ（Ｎは自然数）とした場合について、
スキュー角θｓを、
２５．２／Ｎ ＜θｓ＜４０．０／Ｎ、
磁石形状を規定する永久磁石最大高さＴｍと永久磁石最小高さＴｍ２の比を、
０．３５５＜ Ｔｍ２／Ｔｍ＜０．４５５ 、
鍔部根元径方向厚さＷｔと永久磁石最大高さＴｍとの比を、
Ｗｔ／Ｔｍ＜０．６６、
と設定することによって、トルク脈動を１％以下とすることが可能となる。

これによって、ＥＶ、ＨＥＶなどの低作動音が求められる車両に対して、２Ｎ個の磁極、３Ｎ個のティース部１１ｂを有する回転電機を備えた電動パワーステアリング装置１００を適用することができる。

実施の形態１では、図３から図５に、固定子１０の外径に対する回転子２０の外径の比が４８％から５２％の例を示している。この外径の比を増大させると、固定子鉄心１１の体積が低下して回転子２０、電機子巻線１２が生じさせた磁束が通る面積が低下するため磁束量が低下する。この外径の比を減少させると中心体２２、永久磁石２３の体積が低下して磁束量が低下する。

実施の形態１のように、４８％から５２％と設定することで、磁束量が向上できる。これにより前述したトルク脈動を１．０％以下としつつ、電動パワーステアリング装置１００に必要な所望の平均トルク向上を両立することが可能である。

また、回転子ブロック２０ａ、と回転子ブロック２０ｂの間に回転子ブロック２０ａ、２０ｂの軸方向寸法合計に対して０．１％から１．５％の回転軸２１方向の隙間を空けてもよい。回転子ブロック２０ａ、２０ｂの間に生じる漏れ磁束を低減することができ、トルク脈動低減と平均トルク向上を両立できる。

図１１は、実施の形態１に係るＷｓ／Ｗｇに対するトルク脈動を示す図である。隣接する鍔部の間隔Ｗｓと、回転子と固定子の最小間隔Ｗｇの比、Ｗｓ／Ｗｇに対するトルク脈動六次成分の関係のシミュレーション結果を示している。隣接する鍔部の間隔Ｗｓ、回転子２０と固定子１０の最小間隔Ｗｇに関して、Ｗｓ／Ｗｇが小さい場合にトルク脈動が増加している。

隣接する鍔部の間隔Ｗｓが小さくすると、スロット１３の開口部分１３ａが小さくなる。この場合、ティース部１１ｂ間の鍔部１１ｃを通る漏れ磁束が増加する。そして、回転子ブロック２０ａ、回転子ブロック２０ｂの磁気飽和のアンバランスが増加することとなる。このためにトルク脈動が増加することとなる。

隣接する鍔部の間隔Ｗｓと、回転子と固定子の最小間隔Ｗｇの比、Ｗｓ／Ｗｇを、
Ｗｓ／Ｗｇ＞０．４６
とした場合、トルク脈動を１．０％以下にでき、さらにトルク脈動を低減できるといった効果が得られる。

また、前述した永久磁石２３の磁石幅Ｗｍについては、大きいほど永久磁石２３の磁束量が増加し、回転電機１のトルクが向上できる。実施の形態１では、図５に示すように回転軸２１に垂直な断面が略正多角形の中心体の角部を延長し、断面が正多角形と考えた仮想線における１辺の長さＷｃに対する磁石幅Ｗｍの比率Ｗｍ／Ｗｃを８８％以上としている。これによって、トルク脈動低減と、回転電機１のトルクを向上できる効果を両立できる。

実施の形態１の回転電機１における、トルク脈動のさらなる低減について説明する。磁石形状を規定する永久磁石最大高さＴｍと永久磁石最小高さＴｍ２の比、Ｔｍ２／Ｔｍ、および、鍔部根元径方向厚さＷｔと永久磁石最大高さＴｍとの比、Ｗｔ／Ｔｍ、をさらに厳密に設定することで、トルク脈動のさらなる低減が可能となる。

図９におけるＴｍ２／Ｔｍにおいて、
０．３７＜ Ｔｍ２／Ｔｍ＜０．４３
に設定することで、トルク脈動を０．５％以下に低減することができる。

図１０におけるＷｔ／Ｔｍについて、
Ｗｔ／Ｔｍ＜０．５９
に設定することで、トルク脈動を０．５％以下に低減することができる。

トルク脈動をさらに低減できるため、電動パワーステアリングに必要とされる静粛性をさらに達成することが可能となる。よって、２Ｎ個の磁極、３Ｎ個のティース部１１ｂを有する回転電機１を備えた電動パワーステアリング装置１００の作動音をさらに低減できる。（Ｎは自然数）

また上記に加えて、隣接する鍔部の間隔Ｗｓと回転子と固定子の最小間隔Ｗｇの比、Ｗｓ／Ｗｇを、
Ｗｓ／Ｗｇ＞０．６７
とした場合、すなわち、隣接する鍔部の間隔Ｗｓを回転子と固定子の最小間隔Ｗｇの２／３よりも大きくすることで、トルク脈動を０．５％以下にでき、さらにトルク脈動を低減することができる。

２．実施の形態２
図１２は、実施の形態２に係る回転電機５１（不図示）の回転軸２１に垂直な断面図である。固定子６０のそれぞれのティース部６１ｂの先端には、回転子２０に対向する面に外径方向に窪んだ軸方向と平行な溝であるダミースロット６１ｄが二つ設けられている。ダミースロット６１ｄの幅Ｗｓｄはスロット１３の開口部分１３ａの幅とほぼ同じ寸法になっている。スロット１３およびダミースロット６１ｄは周方向にほぼ同じ間隔に配置されている。

実施の形態２に係る回転電機５１が、実施の形態１に係る回転電機１と異なる部分は、固定子６０のそれぞれのティース部６１ｂの先端にダミースロット６１ｄが追加されている部分だけである。回転電機５１を備えた電動パワーステアリング装置１１０(不図示)について述べる。

前述したように、コギングトルクは回転子２０と固定子６０のティース部６１ｂの磁気吸引力の変動によって生じる。電動パワーステアリング装置１１０では、コギングトルクの次数成分が低いほど、操舵時にステアリングホイールを介してドライバーが感知する低周波成分の振動が大きくなる。低周波成分の振動が大きくなると、操舵フィーリングの悪化をもたらす。

８極１２スロットの回転電機５１では、従来１２個のスロット１３と８極の磁極の関係で、最小公倍数の２４山のコギングトルクが発生する。しかし、実施の形態２に係る回転電機５１では、ダミースロット６１ｄを設けることで疑似的にスロットを３６個とみなすことができる。

ダミースロット６１ｄを設けることで、コギングトルクを最小公倍数の７２山とすることが可能となる。コギングトルクの次数を増加させることにより影響を低減し、操舵フィーリングを向上できるといった効果が得られる。

なお、本実施の形態では極数を８、スロット数を１２としたが、２Ｎ個の磁極、３Ｎ個のティース部６１ｂを有する場合もコギングトルクの影響を低減する効果が得られることはいうまでもない。（Ｎは自然数）

以上より、本実施の形態では、２Ｎ個の磁極、３Ｎ個のティース部６１ｂを有する回転電機５１を備えた電動パワーステアリング装置１１０の作動音低減に加えて、操舵フィーリング向上を両立できる。従って、ＥＶ、ＨＥＶなどの低作動音が求められる車両に対して、２Ｎ個の磁極、３Ｎ個のティース部６１ｂを有する回転電機５１を備えた電動パワーステアリング装置１１０を適用できる。（Ｎは自然数）

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１、５１ 回転電機、１０、６０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１１ａ 円環部、１１ｂ、６１ｂ ティース部、１１ｃ 鍔部、１２ 電機子巻線、１３ スロット、１３ａ 開口部分、２０ 回転子、２０ａ、２０ｂ 回転子ブロック、２１ 回転軸、２２ 中心体、２３ 永久磁石、２３ａ 磁石外径面、２３ｂ 磁石内径面、４１ 磁気的空隙部、６１ｄ ダミースロット、１００、１１０ 電動パワーステアリング装置

Claims (9)

1. 固定子と、前記固定子の径方向内側に配置された回転子と、を備えた回転電機であって、
   前記固定子は、円環部と前記円環部から径方向内側に延出し周方向に間隔を空けて配置された複数のティース部とを有する鉄心と、前記ティース部に巻回された巻線と、を備え、
   前記回転子は、軸心に垂直な断面の外形が正多角形状の中心体と、前記中心体の前記正多角形状の各辺に対応する複数の平面部のそれぞれに設けられ、軸心に垂直な断面の径方向外側が円弧状であり径方向内側が直線状である複数の永久磁石と、を有した回転子ブロックを複数備え、
   複数の前記回転子ブロックは、周方向に予め設定された角度ずつずらして、軸方向に並べられ、一体的に回転し、
   前記ティース部の先端は、隣接する前記ティース部の先端に向かって周方向に突出した鍔部を備え、
   前記永久磁石は、周方向の中央で、前記平面部に対する最大高さを有し、
   前記ティース部は３Ｎ個であり、
   前記中心体は２Ｎ角形状であり、
   前記永久磁石は前記平面部の端部で最小高さを有し、
   前記回転子は二個の回転子ブロックを有し、
   前記Ｎは自然数であって、
   回転時のトルク脈動を１％以下に低減するために、
   前記角度と前記Ｎとの積が、２５．２よりも大きく、４０．０よりも小さくなるよう設定し、かつ、
   前記永久磁石の最小高さと前記永久磁石の最大高さの比が、０．３５５よりも大きく、０．４５５よりも小さくなるよう設定し、かつ、
   前記鍔部の根元の径方向の厚さと前記永久磁石の最大高さの比が０．６６よりも小さくなるよう設定したことを特徴とした回転電機。
2. 回転時のトルク脈動を１％以下に低減するために、
   隣接する前記鍔部の間の間隔と、前記回転子と前記固定子の最小間隔の比が、０．４６よりも大きくなるように設定したことを特徴とした請求項１に記載の回転電機。
3. 回転時のトルク脈動を０．５％以下に低減するために、
   前記永久磁石の最小高さと前記永久磁石の最大高さの比が、０．３７よりも大きく、０．４３よりも小さくなるよう設定し、かつ、
   前記鍔部の根元の径方向の厚さと前記永久磁石の最大高さの比が、０．５９よりも小さくなるように設定したことを特徴とした請求項１または２に記載の回転電機。
4. 回転時のトルク脈動を０．５％以下に低減するために、
   隣接する前記鍔部の間の間隔が、前記回転子と前記固定子の最小間隔の三分の二よりも大きくなるように設定したことを特徴とした請求項３に記載の回転電機。
5. 前記永久磁石は希土類磁石を用いた請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記永久磁石はネオジム焼結磁石を用いた請求項５に記載の回転電機。
7. 前記ティース部の前記回転子に対向する面に外径方向に窪んだ軸方向と平行な溝が設けられたことを特徴とした請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電機。
8. 前記ティース部は二本の前記溝が設けられたことを特徴とした請求項７に記載の回転電機。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電機を備えた電動パワーステアリング装置。

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