JPWO2011064834A1 - 永久磁石型回転電機及びこれを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
0.75<S/P<1.5
なる関係が成り立つようにしたものである。
実施の形態1.
図1は本実施の形態1の永久磁石型回転電機について,回転軸に平行な平面上の断面図を示す。永久磁石1が回転子鉄心2の表面に備え付けられている。回転子鉄心2に回転軸10が圧入されており,軸受け11a,11bによって回転子が回転自在となるような構成となっている。回転子には回転角度を検出するための回転角度センサ14も設けられている。回転角度センサ14は例えばレゾルバやホールセンサとマグネットあるいはエンコーダで構成される。
固定子鉄心3は永久磁石1に対向するように設けられ,固定子鉄心は例えば電磁鋼板を積層して構成されたり,圧粉鉄心によって構成されていてもよい。固定子鉄心3には電機子巻線4が巻回されている。固定子はフレーム13に圧入や焼き嵌め等によって固定され,さらにフレーム13はハウジング12に固定されている。
図3は図1の回転軸10に垂直なB−B断面での断面図である。これは補助溝5が設けられていない部分の断面図である。構成は図2と比較して補助溝5がないという点で異なるが,その他は同じ構造である。
図2の回転子における10個の永久磁石1は,その貼付位置は等間隔であり,断面形状も10個とも同一な例を示している。しかしながら,実機においては製造ばらつきが発生する。例えば,精度よく貼り付けても永久磁石1の貼付位置は等間隔にならず,周方向に数μm〜100μm程度ずれることがある。一方,断面形状も理想的な左右対称な形状とならず,左右のいずれかの厚みが増し,もう一方の厚みが小さくなる場合が想定される。その一例を示したのが図6である。図6においては,永久磁石1の貼付位置が理想的な等間隔の位置から矢印で示す方向にずれていることを示している。さらに断面形状も左右対称とはならず矢印の方向にかまぼこ形の頂点の部分が移動して,左右対称とならないことを示している。製造ばらつきがない理想的な状態であればコギングトルクは回転子1回転あたり極数とスロット数の最小公倍数と同じ回数脈動する成分が主に発生する。しかしながら,製造ばらつきによって,回転子が図6ような状態になるとコギングトルクが増大し,回転子1回転あたりスロット数と同じ回数だけ脈動する成分が現れる。
そこで,回転軸方向の一部に補助溝5を設けた図4のような構成した場合のコギングトルク波形を図7の実線の波形(本発明)に示す。このように30度周期のコギングトルクが大幅に低減され,結果としてコギングトルクのp−p値が大幅に小さくなっていることがわかる。
図9には図8のコギングトルクの周波数成分を示す。次数は回転子1回転を1次としている。12次成分すなわち脈動数がスロット数と同じ成分が大幅に小さくなっていることが確認できる。したがって,本実施の形態の構成にすることで回転子側のばらつきに起因するコギングトルクを大幅に低減できることがわかる。
すなわち,回転子側の製造ばらつきに対してロバスト性の高い永久磁石型回転電機を得ることができたことになる。従来の補助溝の構成では回転子1回転あたりの脈動数が極数とスロット数の最小公倍数に一致する成分について低減効果を狙ったものであり,回転子側のばらつきによって発生する成分(脈動数がスロット数と一致する成分)に対しては低減効果を十分得ることはできない。
さらに,補助溝5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5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。
Ld/Lc=0.5で最小値となり,0.4≦Ld/Lc≦0.6で補助溝5がない構成のとき(Ld/Lc=0のとき)あるいは,回転軸方向に全て補助溝5が設けられている場合(Ld/Lc=1のとき)の約1/5までコギングトルクS次成分を低減できていることがわかる。
図14(d)は固定子鉄心3のティース先端部を回転子側から見た図であり,補助溝5が設けられている部分と設けられてない部分があり,図4の構成に対応している。図14(a)の場合,永久磁石1は理想的な配置となっているのでコギングトルクS次成分が現れない。しかし,図14(b)のように位置がずれるとコギングトルクS次成分が発生する。しかしながら,図14(d)に示した長さL1の領域と長さL3の領域(補助溝5のない領域)と長さL2(=L2/2+L2/2)の領域(補助溝5のある領域)のコギングトルクS次成分は互いにキャンセルするため合計のコギングトルクにはS次成分はほとんど現れない。
一方,図15(d)の長さL4の領域では位置ずれの方向が,長さL5の領域とは逆方向となっており,コギングトルクS次成分のキャンセル効果が図14の場合に比べて小さくなってしまう。したがって合計のコギングトルクにも図14の場合と比べてS次成分が大きくなってしまう。
しかしながら,本発明の構成によれば,すでに説明したように1つの磁極について1つのセグメント型永久磁石で構成された回転子の構成において,永久磁石の位置ずれが軸方向で一様でない場合や,形状のばらつきが軸方向で不均一な場合や,磁気特性が軸方向で不均一な場合でもコギングトルクS次成分の低減効果を十分に発揮することができるという効果がある。 また,スキューによるトルクの低下や部品点数の増加といった点も解消できるという効果がある。
また,補助溝5は少ない方が,平均的なギャップ長が小さくなるため,補助溝5を1個とし,さらに軸方向の一部にしか設けないということで負荷時のトルクの低下を最小限度に抑えることができるという効果もある。
0.75<S/P<1.5
なる関係が成り立つようにしたことにより,永久磁石の貼付位置誤差や形状誤差,磁気特性のばらつき等の回転子側のばらつきによって発生するコギングトルクを大幅に低減できるという顕著な効果を奏する。
この構成により,永久磁石の貼付位置誤差,や形状誤差,磁気特性のばらつき等の回転子側のばらつきによって発生するコギングトルクを大幅に低減できる効果を得る。
実施の形態1では極数10,スロット数12の永久磁石型回転電機の例について述べたが,本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1,2,3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。さらに,極数とスロット数の最小公倍数が大きいため,回転子1回転で極数とスロット数の最小公倍数と一致する回数だけ脈動するコギングトルク成分がS/P=0.75,S/P=1.5の場合に比べて小さいことも知られている。
一方で,永久磁石の貼付位置誤差や形状誤差,磁気特性のばらつき等の回転子側のばらつきによって発生するコギングトルクS次成分が大きく,回転子側のばらつきに対してロバスト性が低いことが課題である。したがって,電動パワーステアリング装置に搭載される場合のように大量生産される永久磁石型回転電機においてはこの課題を解決する必要があった。
を満たす永久磁石型回転電機のうち,図16にはP=14,S=12の例,図17にはP=8,S=9の例,図18にはP=10,S=9を示した。それぞれ各ティースに補助溝5を1個設けてある。
図16,17,18は断面図であるが,補助溝5を設けた部分の断面図であり,実施の形態1と同様に軸方向の位置によっては補助溝5を設けていない部分があるが,その図は省略している。
このような構成にすると,巻線係数が高いので小型で高トルクとなる効果と回転子側のばらつきに対してロバスト性の高くなる効果の両立が実現できる。
また,これらの極数とスロット数の整数倍の組み合わせでも同じ効果が得られるので極数P=10,スロット数S=12も含めて一般化すると,
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。
図19には固定子鉄心3の軸方向端部に補助溝5を設け,軸方向中央部分には補助溝5を設けない場合の部分斜視図を示す。補助溝5の配置をわかりやすく示すため固定子鉄心3の12個あるティース7のうち半分の6個のみを示し,残りは省略している。また,固定子鉄心以外の構成部は省略している。
すなわち,回転子側にばらつきが発生したときに生じるコギングトルクS次成分を従来例に比べて大幅に抑制することができる。また,永久磁石1の位置ずれが軸方向で一様でない場合でもコギングトルクS次成分の低減効果を十分に発揮することができるという効果がある。
なお,ここでは永久磁石1の位置ずれについてのみ述べたが,形状のばらつきが軸方向で不均一な場合や,磁気特性が軸方向で不均一な場合であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
図20には本実施の形態4の固定子鉄心3の部分斜視図を示す。補助溝5の設けた部分と補助溝5を設けない部分が交互に配置されている。軸方向長さLaで補助溝5が設けられ,その下部は軸方向長さLbの部分には補助溝5がなく,さらにその下部には軸方向長さLaで補助溝5が設けられ,さらにその下部では軸方向長さLbの部分には補助溝5がない。すなわち軸方向に補助溝5の有無が合計4層となった構成である。
Lc/M≧2mm
としたときに回転子側にばらつきが生じたときのコギングトルクを大幅に低減できる効果がある。さらに,実施の形態1で詳述した原理と同様の原理で永久磁石1の貼付位置ずれ等のばらつきが軸方向で一様でない場合でもコギングトルクS次成分の低減効果があることは言うまでもない。
これまでの実施の形態では永久磁石1が回転子鉄心3の表面に設けられた表面磁石型の例であったが,本発明はこれに限らず適用できる。
図23には永久磁石1が回転子鉄心内部に設けられた窓部9に埋め込まれた,磁石埋め込み型構造である。このような構成にすると回転子鉄心2に設けられた窓部9において永久磁石1の位置がずれてもコギングトルクが大幅に増加しない。すなわち,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。
しかしながら,永久磁石1の左右に空隙部9aがあるために永久磁石1の位置ずれが生じ,コギングトルクS次成分が増大するという課題があった。しかしながら,本発明の固定子鉄心を設けた構成にすれば,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という効果を奏する。
図24は,この発明の実施の形態6を示す本発明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の概念図である。
図24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)が接続されており,コントローラ21によって駆動されるモータ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。
このような電動パワーステアリング装置では,モータ20にて発生するトルクの脈動がウォームギヤ24とコラムシャフト23を介して,ステアリングホイール22に伝達される。したがって,モータ20が大きなトルク脈動を発生する場合,滑らかな操舵感覚を得ることが出来ない。
Claims (17)
- 回転子鉄心,及びこの回転子鉄心に設けられ永久磁石により構成された複数の磁極とを有する回転子と,
上記複数の磁極と対向する複数のティース,及びこれらのティースに巻回された電機子巻線を収めるスロットを形成した固定子鉄心を有し,上記ティースの上記回転子に対向する部分において上記固定子鉄心の軸方向に補助溝が設けられた固定子とを具備する永久磁石型回転電機において,
上記固定子は,上記補助溝が上記固定子鉄心の軸方向の一部に設けられており,
かつ,上記磁極の数(磁極数)をP,スロットの数(スロット数)をSとしたとき,
0.75<S/P<1.5
なる関係が成り立つことを特徴とする永久磁石型回転電機。 - 上記補助溝は,上記固定子鉄心の軸方向端部には設けられていな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。
- 上記補助溝が上記固定子鉄心の軸方向中央部分に設けられていることを特徴とする請求項2記載の永久磁石型回転電機。
- 上記補助溝が上記固定子鉄心の軸方向中央部分に設けられており,上記固定鉄心の軸方向端部には上記補助溝が設けられておらず,また,上記磁極は1つの磁極について1つのセグメント型永久磁石で構成されてい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。
- 上記補助溝の幅が上記スロットの開口幅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。
- 上記補助溝の深さは、上記ティースの先端部の厚み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。
- 上記補助溝は上記ティースの回転子に対向する部分において,上記固定子鉄心の周方向中央部に1箇所設けられてい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。
- 上記補助溝が上記固定鉄心の軸方向の複数の位置に配置されており,さらに上記補助溝の周方向位置は上記各ティースにおいて一致してい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。
- 上記固定子鉄心の軸方向長さをLcとし,上記補助溝を設けた部分の上記固定子鉄心の軸方向の長さをLdとしたとき,LcとLdは0.4≦Ld/Lc≦0.6なる関係式を満たし,望ましくはLd/Lc=0.5とした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,上記極数Pが12N±2N,スロット数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,上記極数Pが9N±N,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。
- 上記固定子鉄心の軸方向端部に上記補助溝を設け,上記固定子鉄心の軸方向中央部には補助溝を設けな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。
- 上記補助溝のある部分と上記補助溝のない部分が上記固定子鉄心の軸方向に交互にM層分(Mは2以上の整数)設けられてい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。
- 上記固定子鉄心の軸方向の長さをLcとし,Lc/M≧2mmであることを特徴とする請求項13記載の永久磁石型回転電機。
- 上記永久磁石は上記回転子鉄心の内部に設けられた窓部に埋め込んだ磁石埋め込み型構造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。
- 回転子鉄心,及びこの回転子鉄心に設けられ永久磁石により構成された複数の磁極とを有する回転子と,
上記複数の磁極と対向する複数のティース,及びこれらのティースに巻回された電機子巻線を収めるスロットを形成した固定子鉄心を有し,上記ティースの上記回転子に対向する部分において上記固定子鉄心の軸方向に補助溝が設けられた固定子とを具備する永久磁石型回転電機において,
m,nは互いに異なる整数であり,m≧0,n≧0とし,
上記固定子鉄心のスロットの数(スロット数)をSとしたとき,
上記補助溝は上記固定子鉄心の周方向にm箇所設けられている部分とn箇所設けられている部分が存在し,
m箇所設けられている部分のコギングトルクS次成分と,n箇所設けられている部分のコギングトルクS次成分の位相が互いに反転していることを特徴とする永久磁石型回転電機。 - 請求項1〜16に記載の永久磁石型回転電機とギヤを具備した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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