WO2011064834A1 - 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

Abstract

　永久磁石の貼付位置誤差や磁石特性のばらつき等，回転子側のばらつきに起因するコギングトルクを低減し，トルク脈動が小さく，小型軽量の永久磁石型モータを得る。 　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，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，ティースの回転子に対向する部分において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，固定子は，補助溝が固定子鉄心の軸方向の一部に設けられており，かつ，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ようにしたものである。

Description

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

　この発明は，回転子に永久磁石を備えた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に関するものである。

　近年，様々な用途にコギングトルクの小さいモータが要求されている。例えば，産業用のサーボモータや，エレベータ用巻き上げ機等がある。車両用に着目すると，燃費向上，操舵性の向上のために電動パワーステアリング装置が普及している。電動パワーステアリング装置に用いられるモータには，そのコギングトルクがギヤを介して運転者に伝わるので，滑らかな操舵感覚を得るためには，モータのコギングトルク低減に対する強い要求がある。これに対し，コギングトルクを低減する手法として，固定子の鉄心に補助溝を設ける手法がある。例えば特許文献１，２，３がある。

特開２００１－２５１８２号公報 特表２００６－２３０１１６号公報 WO２００９／８４１５１

　特許文献１の永久磁石型回転電機にあっては，補助溝がモータの軸方向全部に設けられているため，等価的なエアギャップ長が大きくなりトルクが低下するという問題点があった。また，特許文献１，２，３ともに極数とスロット数の最小公倍数の脈動数とその整数倍のコギングトルク低減には効果を奏するが，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成分（回転子１回転でスロット数に一致する回数だけ脈動する成分）を十分抑制することはできないという課題があった。

　この発明は，上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，コギングトルク低減と小型高トルクを両立した永久磁石型回転電機を得ることを目的としている。

　この発明は，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ようにしたものである。

　この発明によれば，永久磁石の貼付位置誤差や磁石特性のばらつき等，回転子側のばらつきに起因するコギングトルクを低減し，トルク脈動が小さく，小型軽量の永久磁石回転電機を得られる顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態１による永久磁石型回転電機を示す断面図である。 図１のＡ－Ａ断面を示す断面図である。 図１のＢ－Ｂ断面を示す断面図である。 実施の形態１における固定子鉄心を示す部分斜視図である。 実施の形態１における固定子鉄心の他の例を示す部分斜視図である。 実施の形態１における回転子を示す断面図である。 実施の形態１におけるコギングトルク波形を示す説明図である。 実施の形態１におけるコギングトルク波形を示す説明図である。 実施の形態１におけるコギングトルクの次数成分を示す説明図である。 実施の形態１におけるコギングトルクのヒストグラムを示す説明図である。 実施の形態１における補助溝とスロット開口部の寸法を示す説明図である。 実施の形態１における補助溝の幅とコギングトルクの関係を示す説明図である。 実施の形態１における補助溝を設けた部分の割合とコギングトルクＳ次成分の関係を示す説明図である。 実施の形態１における永久磁石の位置ずれの一例を示す説明図である。 実施の形態１における永久磁石の位置ずれの他の例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２による永久磁石型回転電機を示す断面図である。 実施の形態２による永久磁石型回転電機の他の例を示す断面図である。 実施の形態２による永久磁石型回転電機の他の例を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による永久磁石型回転電機の固定子鉄心を示す部分斜視図である。 本発明の実施の形態４による永久磁石型回転電機の固定子鉄心を示す部分斜視図である。 実施の形態４における固定子鉄心の１つのティースを示す部分斜視図である。 実施の形態４におけるコギングトルクを示す説明図である。 本発明の実施の形態５による永久磁石型回転電機を示す断面図である。 本発明の実施の形態６による電動パワーステアリング装置を示す説明図である。

　以下，本発明の永久磁石型回転電機の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
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。

　固定子鉄心３の永久磁石１に対向する部分にコギングトルク低減用の補助溝５が設けられている。さらにこの補助溝５は回転軸方向の一部分に設けられている。図１では固定子鉄心の回転軸方向の中心付近に設けられており，軸方向端部には補助溝５は設けられていない。

　この構成をより詳細に説明するために，図２と図３を示す。図２は図１の回転軸１０に垂直なＡ－Ａ断面での断面図である。これは補助溝５が設けられている部分の断面図である。永久磁石１は回転子鉄心２の表面に貼付けられていて，この例では極数は１０となっている。さらに，永久磁石１の断面形状はかまぼこ形となっており，磁束の高調波成分を低減し，誘起電圧を正弦波状にすることでトルク脈動を低減している。回転子鉄心には突起部８が設けられていて，永久磁石１が周方向に滑らないように固定する役割を果たしている。

　一方，固定子は固定子鉄心３には電機子巻線４を巻回するためのスロット６が設けられている。図２の例では電機子巻線４は固定子鉄心３の径方向に伸びたティース７に集中的に巻き回されていて，スロット数は１２であり１２個あるティース７全てに電機子巻線４が巻回されている。さらに，本永久磁石型回転電機の相数は３であり，それらをＵ相，Ｖ相，Ｗ相とすると巻線の配置は図２に示すようにＵ１＋，Ｕ１－，Ｖ１－，Ｖ１＋，Ｗ１＋，Ｗ１－，Ｕ２－，Ｕ２＋，Ｖ２＋，Ｖ２－，Ｗ２－，Ｗ２＋のように配置されている。ここで＋と－は巻き方向を示していて，＋と－では巻き方向は互いに逆方向であることを示している。さらにＵ１＋とＵ１－は直列接続され，Ｕ２－とＵ２＋も直列接続されている。これらの２つの直列回路は並列接続されていてもよいし，直列接続されていてもよい。Ｖ相，Ｗ相も同様である。さらに，三相はＹ結線でもデルタ結線でもよい。

　この１０極１２スロットの永久磁石型回転電機は，極数：スロット数＝２：３や４：３の組み合わせの永久磁石型回転電機と比べて，巻線係数が大きく小型高トルクの回転電機となり，さらに極数とスロット数の最小公倍数が大きく，コギングトルクのうち回転子１回転あたり最小公倍数と一致する回数脈動する成分が小さい傾向にある。しかしながら，永久磁石１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１２次成分が顕在するという課題がある。詳細は後述するが，本発明はこの課題を解決するために発案された。

　図２において，固定子のティース７はその先端部分すなわち回転子に対向する部分が周方向に伸びた形状をしており，スロット６の開口部は電機子巻線４が納まっている部分より小さくなっている。さらに，ティース７の回転子に対向する面には，補助溝５が１個のティース７について１個設けられている。また，補助溝５の周方向の位置はティース７の周方向中心に一致している。
　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。

　補助溝５の構成を理解しやすくするため部分斜視図で示したのが図４である。ただし，簡単のため固定子鉄心３のみを示し他の構成部品は省略している。さらに，回転子と対向する部分を見やすくするため，１２個のティースのうち，半数の６個のみ示している。補助溝５は回転軸方向の中央部付近に設けられており，端部には設けられていない。詳細には回転軸方向の端部（図４の上部）から長さＬ１の部分においては補助溝５が設けられていない。その下の長さＬ２の部分に渡って補助溝５が設けられている。さらに，その下の長さＬ３の部分には補助溝５が設けられていない。

　このような構成にすることで，永久磁石１の貼付位置誤差や形状誤差，磁気特性のばら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成分を抑制できるがその原理について説明する。
　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。

　本実施の形態の例ではスロット数が１２であるので，回転子1回転で１２回すなわち機械角で３６０度/１２＝３０度周期のコギングトルクが現れる。図７は３０度（機械角）分のコギングトルクの波形を示した図である。補助溝５が設けられていない場合は点線で示したコギングトルク波形となり，３０度周期のコギングトルクが大きく現れていることがわかる。一方，軸方向全部に補助溝５を１個設けた場合のコギングトルク波形においても３０度周期のコギングトルクが大きく現れていることがわかる。ただし，その位相は補助溝５が設けられていない場合と反転している。これにより両者を合成するとコギングトルクが低減できることが理解できる。したがって，固定子鉄心３において回転軸方向の一部に補助溝５を１つのティースあたりに１個設けた構成にすると補助溝５のない部分で発生するコギングトルクと補助溝５のある部分で発生するコギングトルクの合計が永久磁石型回転電機のコギングトルクとなるため，３０度周期のコギングトルクについてはキャンセルする効果が現れ、これを大幅に低減できると予測される。
　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。

　回転子１回転分（機械角３６０度分）のコギングトルク波形を従来例と比較したのが図８である。従来例のコギングトルクの最大値を１００％として規格化している。回転子に製造ばらつきが発生すると，従来例では回転子１回転で１２回脈動する成分が大きく発生しているが，本発明の構成にするとその成分は大幅に低減されていることがわかる。そのp－p値は従来例のわずか１／１０となっている。
　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。

　上記は回転子側のばらつきのパターンが図６に示した場合であったが，本発明の効果を実証するため１０個の永久磁石１にそれぞれランダムなばらつきが発生するとして，合計１００００台の回転電機のコギングトルクについてヒストグラムを作成した。その結果が図１０である。図１０(a)には従来例のヒストグラム，図１０(b)には図４の構成（本発明）のヒストグラムである。回転子側のばらつき条件は同じとして比較している。図１０(a)ではコギングトルクは広く分布しており，ばらつきのパターンによってはコギングトルクが大きくなってしまうという課題があった。しかしながら，本発明の構成になると回転子側の永久磁石１のばらつきのパターンにかかわらずコギングトルクは小さいことがわかる。
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。

　図５には図４とは異なる構造を示す。ただし，簡単のため固定子鉄心３のみを示し，他の構成部品は省略している。さらに，回転子と対向する部分を見やすくするため，１２個のティース７のうち，半数の６個のみ示している。補助溝５は回転軸方向の上部に設けられており，下部には設けられていない。詳細には回転軸方向の端部（図５の上部）から長さＬ４の部分においては補助溝５が設けられている。その下の長さＬ５の部分には補助溝５が設けられていない。このような構成としても図４の構成と同様に，回転子のばらつきによって発生する３０度周期のコギングトルクは長さＬ４の部分で発生するコギングトルクと長さＬ５の部分で発生するコギングトルクが互いにキャンセルする効果が得られる。その結果，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る。

　次に，補助溝５の形状について述べる。図１１は補助溝５の幅Ｗｄと補助溝５の深さＨｄとスロット開口幅Ｗｓとティース先端部の高さＨｓについて説明した図である。本発明の構造では，補助溝５を設けた部分と補助溝５を設けない部分で，コギングトルクの脈動数がスロット数と一致する成分の位相を反転させてキャンセル効果を得るものであるから，補助溝５の形状の選定がその効果の大きさに影響を及ぼす。補助溝５の幅Ｗｄとスロット開口幅Ｗｓの比を横軸に，回転子にばらつきが生じたときのコギングトルクのＯ．Ａ．値を縦軸にとったグラフが図１２である。Ｗｄ／Ｗｓ＝０すなわち補助溝５を設けない場合に対して，Ｗｄ／Ｗｓ≧１．０とするとコギングトルクが補助溝５を設けない場合の１／２以下となっている。さらにＷｄ／Ｗｓ≧１．２５とするとコギングトルクが０．００１Ｎｍと非常に小さい値となる。回転子のばらつきによるコギングトルクがこの程度まで抑制されていると，例えば後述する電動パワーステアリング装置に回転電機が組み込まれた場合に，運転者がコギングトルクを感じることがなく良好な操舵フィーリングを得ることができるという効果が得られる。

　Ｗｄ／Ｗｓ≧１．０とすると，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コギングトルクの脈動数がスロット数と一致する成分の位相を反転させることができるため，補助溝５のない部分でのコギングトルクと互いにキャンセルすることができる。補助溝５を１つ設ける場合にはＷｄ／Ｗｓ≧１．０とすればよく，２個以上設ける場合には該ティースに設けられた全ての補助溝５の幅の合計をＷｄと定義してＷｄ／Ｗｓ≧１．０となるようにすれば同様の効果が得られる。
　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。

　次に，補助溝５を設ける範囲について検討する。固定子鉄心３のスロット数をＳ（Ｓ：整数，本実施の形態ではＳ＝１２）とし，回転子１回転での脈動数がスロット数と一致するコギングトルクの成分をコギングトルクＳ次成分と呼ぶことにする。このコギングトルクＳ次成分が回転軸方向に補助溝５を設ける範囲によってどのように変化するのかをシミュレーションした結果が図１３である。縦軸はコギングトルクＳ次成分であり，補助溝５を設けない場合を１００％として規格化して示している。横軸は固定子鉄心の回転軸方向の長さＬｃに対する補助溝５を設けた部分の回転軸方向の長さの合計Ｌｄの割合を示したものである。すなわちＬｄ／Ｌｃであり，図４の場合ではＬｄ／Ｌｃ＝Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３）であり，図５の場合ではＬｄ／Ｌｃ＝Ｌ４／（Ｌ４＋Ｌ５）である。
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。

　以上により，固定子鉄心の軸方向長さをＬｃとし，補助溝５を設けた部分の軸方向の長さを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れば，補助溝５のある部分とない部分のコギングトルクのキャンセル効果が十分に発揮されて，回転子側のばらつきによって発生するコギングトルク成分を大幅に低減する効果が得られることがわかる。

　図４の例では，補助溝５を固定子鉄心３の回転軸方向中心付近に設けた構造としているが，この構造によって得られる特別な効果について説明する。図４の構成では固定子鉄心３の軸方向端部には補助溝５が設けられていないが，軸方向端部に補助溝５が設けられている場合には，軸方向端部において回転子とのギャップが大きい部分が増加することになる。これは異物が侵入する隙間が大きいことを示し，異物が侵入すると回転子がロックされた状態になる可能性がある。ロック状態になると回転子が固定されてしまい，特に電動パワーステアリング装置においてこのような状態になると運転者が操舵できなくなるため好ましくない。したがって補助溝５を回転軸方向中心付近に設けた構造とすることで図５等軸方向端部に補助溝５が設けられている場合と比較して異物侵入を防止する効果が大きくなる。

　また，上記の異物侵入防止効果以外に以下に述べるような磁気回路上有利な効果がある。永久磁石１の貼付位置誤差が発生し，その誤差すなわちずれ方が回転子の回転軸方向に一様である場合と一様でない場合が想定される。図１４に永久磁石１の位置ずれの状態と補助溝５の位置関係について示す。図１４(a),(b),(c)は１つの永久磁石１とその両側に設けられた突起部８を示す。この場合回転子の磁極は１つの磁極について１つのセグメント型磁石で構成している。紙面に向って上下が回転軸方向，左右が周方向となる。
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。

　図１５には，図５に対応して，永久磁石１の位置ずれの状態と補助溝５の位置関係について示す。図１５(a)も同様にコギングトルクＳ次成分が発生せず，図１５(b)では長さＬ４の領域（補助溝５のある領域）と長さＬ５の領域（補助溝５のない領域）のコギングトルクＳ次成分が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。これは位置のずれ方が軸方向に一様であった場合である。

　しかしながら，図１４（ｃ），図１５（ｃ）のように回転軸方向に一様でない位置ずれが生じた場合は少し異なる。図１４（ｄ）の長さＬ１の領域と長さＬ３の領域（補助溝５のない領域）において，矢印で示した位置ずれの方向が互いに逆方向であるため，平均化すると位置ずれが生じていない場合とほぼ同じとなる。一方，長さＬ２（＝Ｌ２／２＋Ｌ２／２）の領域（補助溝５のある領域）についても上半分のＬ２／２の領域と下半分のＬ２／２の領域では矢印で示した位置ずれの方向が互いに逆方向であるため平均化すると位置ずれが生じていない場合とほぼ同じとなる。したがって，コギングトルクＳ次成分のキャンセル効果が十分得られるため，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。

　以上により，図４の構成とする方が，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。

　従来のコギングトルク低減対策として１つの磁極を軸方向に２つ以上セグメント型永久磁石を並べてさらに階段状にスキューする，いわゆる段スキューの構成がある。段スキューの構成は，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で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る場合より不利である。一方，従来の永久磁石型回転電機の構成ではコギングトルクに関しては，スロットのパーミアンス脈動の影響をキャンセルできる段スキュー構造の方が有利であった。
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。

　特許文献１，２，３では補助溝５は各ティース７に２個あるいは２個以上設けた例が記載されているが，本実施の形態では補助溝５は各ティースに１個としている。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次成分は，固定子のスロットによるパーミアンスの脈動のＳ次成分が大きく関与しているが，補助溝５を１個設けることでそのパーミアンスの脈動のＳ次成分の振幅や位相を変化させるのが容易であ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。

　本実施の形態では補助溝５は鉄心を四角形状に切り抜いた形状としているが，これに限らない。例えば円弧状に鉄心を切り抜いた形状や，三角形に切り抜いた形状等でも同様の効果が得られることは言うまでもない。

　以上のようにこの発明は，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。

　以上は１０極１２スロットの永久磁石型回転電機において，補助溝５を各ティースに1個設けた例を示した。これを一般化すると以下のようになる。スロット数がＳである固定子鉄心を有する固定子と固定子鉄心のティースの回転子に対向する部分に設けられた補助溝５とを具備する永久磁石型回転電機において，補助溝５を１つのティースあたり周方向にｍ箇所設けられている部分と１つのティースあたり周方向にｎ箇所設けられている部分が軸方向に存在させて，さらに，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次成分の位相を互いに反転させる。ただし，ｍ，ｎは互いに異なる整数，ｍ≧０，ｎ≧０である。また，コギングトルクＳ次成分とは回転子１回転でＳ回脈動する成分のことである。
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２．
　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。

０．７５＜Ｓ／Ｐ＜１．５
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。

実施の形態３．
　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。

　補助溝５の配置は，詳細には回転軸方向の端部（図１９の上部）から長さＬ６の部分においては補助溝５が設けられていて，その下の長さＬ７の部分に渡って補助溝５が設けられていない範囲がある。さらに，その下の長さＬ８の部分には補助溝５が設けられている。この構成においても実施の形態１の図４と同じような効果が得られる。
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。

実施の形態４．
　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。

　このような構成としても，実施の形態１で述べたように，永久磁石１の位置のずれ方が軸方向に不均一となった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あっても，補助溝５の設けられた層と補助溝５のない層でのコギングトルクＳ次成分のキャンセル効果が十分に発揮されるという効果が得られる。

　図２０は４層の構成について示したが，これに限らず，一般にＭ層構造（Ｍは２以上の整数）とした場合でも同様の効果が得られる。例えば，図２１(a)のように８層とした場合でも良いし，図２１（ｂ）は固定子鉄心３の軸方向長さが異なる例であるが，３５層とした場合でも同様の効果が得られる。図２１（ｃ）は固定子鉄心３の軸方向の中央部に補助溝５のある部分とない部分を交互に配置し，軸方向端部には補助溝５を設けない構成であるがこれも同様の効果が得られる。

　１層の厚みを横軸に，縦軸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プロットした図を図２２に示す。この図から１層の厚みが２ｍｍを超えると，コギングトルク低減の顕著な効果が得られることがわかる。したがって，固定子鉄心３の軸方向長さをＬｃとし，補助溝５のある層と補助溝５のない層の数の合計をＭとしたとき。
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。

実施の形態５．
　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。

　さらに，回転子鉄心２の窓部９の形状が，永久磁石１の左右方向に大きく設計されていて，永久磁石１を挿入したときに永久磁石１の左右に空隙部９ａができる場合には，隣り合う永久磁石１間に設けられた回転子鉄心２の磁路部分すなわち磁極間の鉄心部３ａを細くできるため，漏れ磁束が小さくでき，小型高トルクの回転電機を得ることができる。
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。

実施の形態６．
　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。

　しかしながら，本発明に係る永久磁石型回転電機を本実施の形態の電動パワーステアリング装置のモータ２０として組み込むことによって，トルク脈動が低減できる。このため，電動パワーステアリング装置における操舵感覚を向上できる。また，電動パワーステアリング装置用のモータは大量生産されるため，製造ばらつきに対するコギングトルクのロバスト性を向上しなければならないという課題がある。これに対して実施の形態１～５で記載した永久磁石型回転電機を搭載することで，回転子のばらつきに起因するコギングトルク成分を大幅に低減できるため，ロバスト性が向上するという効果を奏する。

　１　永久磁石，２　回転子鉄心，３　固定子鉄心，３a　磁極間の鉄心部，４　電機子巻線，５　補助溝，６　スロット，７　ティース，８　突起部，９　窓部，９a　空隙部，１０　回転軸，１１a　軸受け，１１ｂ　軸受け，１２　ハウジング，１３　フレーム，１４　回転角度センサ，２０　モータ，２１　コントローラ，２２　ステアリングホイール，２３　コラムシャフト，２４　ウォームギヤ，２５　ハンドルジョイント，２６　ステアリングギヤ，２７　ラック

Claims (17)

1. 　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。
2. 　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。
3. 　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。
4. 　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。
5. 　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。
6. 　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。
7. 　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。
8. 　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。
9. 　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。
10. 　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。
11. 　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。
12. 　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。
13. 　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。
14. 　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。
15. 　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。
16. 　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。
17. 　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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