WO2016088698A1 - モータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両 - Google Patents

モータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両 Download PDF

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志鵬 塗
木村 玄
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Definitions

  • the rotor magnetic pole is composed of a plurality of magnetic salient pole portions made of a magnetic material, and N-pole magnets and S-pole magnets are alternately arranged on the rotor surface between the magnetic salient pole portions, and the magnet torque and the reluctance torque. More particularly, the present invention relates to a concentrated winding motor having a skew effect, and an electric power steering apparatus and vehicle equipped with the same. *
  • An electric power steering device mounted on a vehicle applies an assist force by a motor (for example, a brushless three-phase motor) to a steering system of the vehicle based on a current command value calculated based on at least a steering torque. It is driven and controlled by an inverter consisting of
  • an electric power steering device as a device equipped with a motor.
  • the electric power steering device applies a steering assist force (assist force) to the steering mechanism of the vehicle by the rotational force of the motor, and is supplied from an inverter.
  • the driving force of the motor controlled by the generated electric power is applied to the steering shaft or the rack shaft by a transmission mechanism such as a gear.
  • a conventional electric power steering apparatus performs feedback control of the motor current in order to accurately generate the torque of the steering assist force.
  • the motor applied voltage is adjusted so that the difference between the steering assist command value (current command value) and the motor current detection value is small.
  • the adjustment of the motor applied voltage is generally performed by PWM (pulse width). Modulation) control duty is adjusted, and a brushless motor having excellent maintainability is generally used as the motor.
  • a column shaft (steering shaft, handle shaft) 2 of the handle 1 is a reduction gear 3 in the reduction unit, universal joints 4a and 4b, a pinion rack mechanism 5,
  • the tie rods 6a and 6b are connected to the steered wheels 8L and 8R via the hub units 7a and 7b.
  • the column shaft 2 is provided with a torque sensor 10 for detecting the steering torque of the handle 1 and a steering angle sensor 14 for detecting the steering angle ⁇ , and the motor 20 for assisting the steering force of the handle 1 is provided with the reduction gear 3.
  • the control unit (ECU) 30 that controls the electric power steering apparatus is supplied with electric power from the battery 13 and also receives an ignition key signal via the ignition key 11.
  • the control unit 30 calculates a current command value of an assist (steering assistance) command based on the steering torque Th detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed Vel detected by the vehicle speed sensor 12, and compensates the current command value.
  • the current supplied to the EPS motor 20 is controlled by the voltage control command value Vref subjected to.
  • the steering angle sensor 14 is not essential and may not be provided, and the steering angle can be acquired from a rotational position sensor such as a resolver connected to the motor 20.
  • CAN which gives and receives various information of vehicles to control unit 30 (Controller Area Network) 40 is connected, and the vehicle speed Vel can also be received from the CAN 40.
  • the control unit 30 can be connected to a non-CAN 41 that exchanges communications, analog / digital signals, radio waves, and the like other than the CAN 40.
  • the control unit 30 is mainly composed of a CPU (including MCU, MPU, etc.), and general functions executed by programs in the CPU are as shown in FIG.
  • the function and operation of the control unit 30 will be described with reference to FIG. 2.
  • the steering torque Th detected by the torque sensor 10 and the vehicle speed Vel detected by the vehicle speed sensor 12 (or from the CAN 50) are expressed as a current command value Iref1.
  • the current command value calculation unit 31 to be calculated is input.
  • the current command value calculation unit 31 calculates a current command value Iref1, which is a control target value of the current supplied to the motor 20, using an assist map or the like based on the input steering torque Th and vehicle speed Vel.
  • the current command value Iref1 is input to the current limiter 33 through the adder 32A, and the current command value Irefm whose maximum current is limited is input to the subtractor 32B, and the deviation I (Irefm) from the fed back motor current value Im.
  • the voltage control command value Vref whose characteristics are improved by the PI control unit 35 is input to the PWM control unit 36, and the motor 20 is PWM driven via an inverter 37 as a drive unit.
  • the current value Im of the motor 20 is detected by the motor current detector 38 and fed back to the subtraction unit 32B.
  • a compensation signal CM from the compensation signal generator 34 is added to the adder 32A, and the compensation of the steering system system is performed by adding the compensation signal CM to improve the convergence and inertia characteristics.
  • the compensation signal generation unit 34 adds the self-aligning torque (SAT) 343 and the inertia 342 by the addition unit 344, and further adds the convergence 341 to the addition result by the addition unit 345, and compensates the addition result of the addition unit 345.
  • the signal CM is used.
  • the motor used in such an electric power steering device is generally a brushless synchronous motor, and the rotor of the synchronous motor is provided with a permanent magnet on the surface or inside of the rotor, and a coil wound around a slot on the stator side. A rotating magnetic field is generated by this, and the rotor is rotated by this interaction.
  • the axis through which the magnetic flux formed by the permanent magnet penetrates the rotor in the radial direction is called the d-axis
  • the axis formed by the stator coil of the stator through the rotor in the radial direction is called the q-axis.
  • a salient pole is provided between the permanent magnets provided on the outer periphery of the rotor so that the magnetic flux in the horizontal axis (d-axis) direction due to the armature current can easily pass through the rotor iron core, and the inductance Lq on the vertical axis (q-axis) is d.
  • Some motors use reluctance torque (reaction torque) more effectively than the shaft inductance Ld.
  • the overall structure of a general three-phase synchronous motor 200 will be described with reference to FIG. 3.
  • the three-phase synchronous motor 200 includes a stator 210 around which a coil 211 is wound, a rotor 220, and a case 230 that houses these. Become.
  • a permanent magnet 221 is provided on the outer peripheral surface of the rotor 220, and a rotary shaft 222 of the shaft center is rotatably supported by bearings 231 and 232 provided in the case 230.
  • Ts Tm + Tr
  • Tr a reluctance torque
  • the reluctance torque Tr is obtained by the following formula 2.
  • Tr P (Lq ⁇ Ld) ⁇ Iq ⁇ Id
  • P is the number of pole pairs of the permanent magnet
  • Lq is the q-axis inductance
  • Ld is the d-axis inductance
  • Iq and Id are each axis component of the armature current.
  • Patent Document 1 discloses a synchronous motor that solves such a problem.
  • the rotor 220 includes four salient pole portions 223 to 226 at orthogonal positions, and the salient pole portions 223 to 226 are respectively centered.
  • Slits 223A to 226A are provided, and inner end portions of the slits 223A to 226A are extended in the circumferential direction of the rotor 220 to form circumferential slits 223B to 226B.
  • a permanent magnet 221 is provided in the axial direction on the outer peripheral surface of the rotor 220 and at an intermediate position between the salient pole portions 223 to 226.
  • each of the salient pole portions 223 to 226 is made of a magnetic material having a high magnetic permeability.
  • the slit is an air gap for the magnetic flux, and its permeability is low. Since the magnetic flux tries to form a magnetic path avoiding the slits 223A to 226A which are air gaps, the magnetic path Md formed by the permanent magnet 221 passes further on the inner peripheral side of the circumferential slits 223B to 226B of the rotor 220. The teeth 227 that face the permanent magnet 221 pass through the yoke portion of the stator 210. Since the salient poles 223 to 226 existing between the two permanent magnets 221 are divided in the radial direction by slits 223A to 226A as air gaps, a small loop-like magnetic path is formed inside the salient pole parts 223 to 226. Is not formed.
  • the d-axis inductance Ld becomes extremely small.
  • the magnetic path Mq formed so as to pass through the salient pole portions 223 to 226 by energizing the stator coil passes from the slots 228 facing the salient poles 223 to 226 through the outer peripheral side of the circumferential slits 223B to 226B. It goes through the part of the yoke.
  • the q-axis inductance Lq relating to this magnetic path is a sufficiently large value compared to the d-axis inductance Ld.
  • the motor disclosed in Patent Document 1 has a rotor composed of a magnet and a plurality of magnetic salient poles, and can increase output torque.
  • reluctance is generated depending on the relative positions of the stator and rotor slots, and the magnetomotive force changes stepwise at the slot positions, so that torque ripple occurs.
  • the motor used in the electric power steering device is severely limited in noise and vibration caused by torque ripple, and the synchronous motor of Patent Document 1 cannot be directly mounted on the electric power steering device.
  • the present invention has been made under the circumstances as described above, and the object of the present invention is to configure the magnetic pole pitches in an uneven arrangement without increasing the machining cost of the magnet and increasing the number of rotor assembly steps.
  • Another object of the present invention is to provide a motor capable of obtaining a skew effect in a rotor gap plane of one mechanical angle cycle, and an electric power steering device and a vehicle equipped with the motor.
  • the rotor magnetic pole is composed of a plurality of magnetic salient pole portions made of a magnetic material, and N pole magnets and S pole magnets are alternately arranged on the rotor surface between the magnetic salient pole portions,
  • the present invention relates to a motor in which a magnetic pole pitch corresponding to one electrical angle period constituted by a pole portion, the N-pole magnet, and the S-pole magnet is unevenly arranged. This is achieved by providing a skew effect in FIG. 5 or by providing a skew effect by arranging magnetic poles line-symmetrically within a mechanical angle range of 180 °.
  • the rotor magnetic pole is composed of a plurality of magnetic salient pole portions made of a magnetic material, and N-pole magnets and S-pole magnets are alternately arranged on the rotor surface between the magnetic salient pole portions
  • the present invention relates to a motor in which a magnetic pole pitch corresponding to one electrical angle period, which is configured by a magnetic salient pole portion, the N-pole magnet, and the S-pole magnet, is uniformly arranged. This is achieved by setting the pitch rotor configuration as one stack and skewing each stack or each stack by a predetermined angle in the motor circumferential direction.
  • the magnetic pole pitches are configured to be non-uniformly arranged, or are equally arranged and skewed at a predetermined angle in the circumferential direction as a single stack, thereby reducing the in-plane skew effect.
  • torque ripple and cogging torque can be reduced, and the number of magnets can be reduced because it is not necessary to divide the magnets compared to the step skew configuration.
  • the motor according to the present invention is a synchronous motor having a torque generation mechanism using magnet torque and reluctance torque.
  • the three-phase synchronous motor 300 of the present invention includes a stator 310 in which a coil 311 is wound (concentrated winding) in a slot, and a plurality (eight in this example, four pairs of eight).
  • Permanent magnets 321 N pole, S pole
  • a plurality of permanent magnets 321 are disposed on the outer peripheral surface of the rotor 320, and a plurality of magnetic salient pole portions 322 made of a magnetic material are provided.
  • 5 and 6 show a state where no coil is wound around the stator 310.
  • N-pole magnets and S-pole magnets are alternately arranged between the magnetic salient pole portions 322.
  • the four electrical angle periods correspond to one mechanical angle period, and the magnetic angle magnetic pole pitches P1 to P4 are unevenly arranged. That is, the mechanical angles of the magnetic pole pitches P1 and P4 are A °, the mechanical angles of the magnetic pole pitches P2 and P3 are B ° ( ⁇ A °), and the magnetic pole pitches P1 to P4 of the electrical angles are unevenly arranged. . Thereby, it has a skew effect in the rotor gap surface of 1 period of mechanical angles.
  • the magnetic pole pitches P1 and P4 are A °, and the magnetic pole pitches P2 and P3 are B °.
  • the motor torque can be divided into P1, P2, P3, and P4 magnetic pole pairs in the circumferential direction as shown in FIG.
  • the phase of the magnetic field on the rotor side is advanced or delayed while the phase of the armature rotating magnetic field corresponding to each magnetic pole pair is the same (Equation 6)
  • the motor torque Ts is expressed by the following equation 5 where the torques of the first to fourth magnetic pole pairs are Tp1 to Tp4, respectively.
  • Ts Tp1 + Tp2 + Tp3 + Tp4
  • the magnet torques Tm1 to Tm4 of the first magnetic pole pair to the fourth magnetic pole pair and the reluctance torques Tr1 to Tr4 of the first magnetic pole pair to the fourth magnetic pole pair in the above expression 5 are expressed by the following expression 6.
  • ⁇ m is the total amount of magnetic flux for each magnetic pole pair
  • Ia is the amplitude value of the input current
  • is the advance angle of the rotating
  • the magnetic pole pitches P1 to P4 corresponding to one electrical angle period constituted by the magnetic salient pole portion 322, the N-pole magnet, and the S-pole magnet are non-uniformly arranged, and the mechanical angle is in a range of 180 °.
  • the magnetic pole pitches P2 and P4 are arranged in line symmetry (equal angle), thereby having a skew effect.
  • the mechanical angle A of the magnetic pole pitches P1 and P4 is 91.25 degrees
  • the mechanical angle B of the magnetic pole pitches P2 and P3 is 88.75 degrees.
  • the magnetic pole pitch corresponding to one electrical angle period constituted by the magnetic salient pole part, the N pole magnet, and the S pole magnet is unevenly arranged.
  • the following configuration is adopted. That is, a rotor configuration having a magnetic pole pitch corresponding to one electrical angle cycle is used as one stack, and a skew is arranged by a predetermined angle in the circumferential direction of the motor for each stack or each stack.
  • the magnetic pole pitch for one electrical angle period constituted by the magnetic salient pole part, the N pole magnet, and the S pole magnet is evenly arranged, but a predetermined number of stacks constituting a part of the rotor. Since each of them is skewed in the circumferential direction, it is possible to reduce torque ripple and cogging torque.
  • a synchronous motor having 8 magnets and 12 slots in the stator core is described as an example.
  • the number of magnetic poles and the number of slots are arbitrary, and the number of motor phases can be selected as appropriate.

Abstract

【課題】磁石の加工コストの増加やロータ組立工数の増加を招くことなく、各磁極ピッチを不均等配置で構成することにより面内でのスキュー効果を得ることが可能なモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両を提供する。 【解決手段】ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、磁気的突極部とN極磁石及びS極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが不均等配置されることにより、機械角1周期のロータギャップ面内においてスキュー効果を有するモータである。

Description

モータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両
本発明は、ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、マグネットトルクとリラクタンストルクによる発生機構を有するモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両に関し、特にスキュー効果を有する集中巻モータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両に関する。 
車両に搭載される電動パワーステアリング装置は、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にモータ(例えばブラシレス3相モータ)によるアシスト力を付与するものであり、ブリッジ回路で成るインバータによって駆動制御される。
 モータを搭載した装置として電動パワーステアリング装置(EPS)があり、電動パワーステアリング装置は、車両のステアリング機構にモータの回転力で操舵補助力(アシスト力)を付与するものであり、インバータから供給される電力で制御されるモータの駆動力を、ギア等の伝達機構により、ステアリングシャフト或いはラック軸に操舵補助力を付与する。かかる従来の電動パワーステアリング装置は、操舵補助力のトルクを正確に発生させるため、モータ電流のフィードバック制御を行っている。フィードバック制御は、操舵補助指令値(電流指令値)とモータ電流検出値との差が小さくなるようにモータ印加電圧を調整するものであり、モータ印加電圧の調整は、一般的にPWM(パルス幅変調)制御のデューティの調整で行っており、モータとしては保守性に優れたブラシレスモータが一般的に使用されている。
 電動パワーステアリング装置の一般的な構成を図1に示して説明すると、ハンドル1のコラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)2は減速部内の減速ギア3、ユニバーサルジョイント4a及び4b、ピニオンラック機構5、タイロッド6a,6bを経て、更にハブユニット7a,7bを介して操向車輪8L,8Rに連結されている。また、コラム軸2には、ハンドル1の操舵トルクを検出するトルクセンサ10及び操舵角θを検出する舵角センサ14が設けられており、ハンドル1の操舵力を補助するモータ20が減速ギア3を介してコラム軸2に連結されている。電動パワーステアリング装置を制御するコントロールユニット(ECU)30には、バッテリ13から電力が供給されると共に、イグニションキー11を経てイグニションキー信号が入力される。コントロールユニット30は、トルクセンサ10で検出された操舵トルクThと車速センサ12で検出された車速Velとに基づいてアシスト(操舵補助)指令の電流指令値の演算を行い、電流指令値に補償等を施した電圧制御指令値Vrefによって、EPS用モータ20に供給する電流を制御する。
 なお、舵角センサ14は必須のものではなく、配設されていなくても良く、また、モータ20に連結されたレゾルバ等の回転位置センサから操舵角を取得することも可能である。
 コントロールユニット30には、車両の各種情報を授受するCAN
(Controller Area Network)40が接続されており、車速VelはCAN40から受信することも可能である。また、コントロールユニット30には、CAN40以外の通信、アナログ/ディジタル信号、電波等を授受する非CAN41も接続可能である。
 コントロールユニット30は主としてCPU(MCU、MPU等も含む)で構成されるが、そのCPU内部においてプログラムで実行される一般的な機能を示すと図2のようになる。
 図2を参照してコントロールユニット30の機能及び動作を説明すると、トルクセンサ10で検出された操舵トルクTh及び車速センサ12で検出された(若しくはCAN50からの)車速Velは、電流指令値Iref1を演算する電流指令値演算部31に入力される。電流指令値演算部31は、入力された操舵トルクTh及び車速Velに基づいてアシストマップ等を用いて、モータ20に供給する電流の制御目標値である電流指令値Iref1を演算する。電流指令値Iref1は加算部32Aを経て電流制限部33に入力され、最大電流を制限された電流指令値Irefmが減算部32Bに入力され、フィードバックされているモータ電流値Imとの偏差I(Irefm-Im)が演算され、その偏差Iが操舵動作の特性改善のためのPI制御部35に入力される。PI制御部35で特性改善された電圧制御指令値VrefがPWM制御部36に入力され、更に駆動部としてのインバータ37を介してモータ20がPWM駆動される。モータ20の電流値Imはモータ電流検出器38で検出され、減算部32Bにフィードバックされる。
 加算部32Aには補償信号生成部34からの補償信号CMが加算されており、補償信号CMの加算によって操舵システム系の特性補償を行い、収れん性や慣性特性等を改善するようになっている。補償信号生成部34は、セルフアライニングトルク(SAT)343と慣性342を加算部344で加算し、その加算結果に更に収れん性341を加算部345で加算し、加算部345の加算結果を補償信号CMとしている。
 このような電動パワーステアリング装置に用いられるモータは一般的にブラシレス同期型モータであり、同期型モータのロータは、ロータの表面若しくは内部に永久磁石を設け、ステータ側のスロットに巻回されたコイルにより回転磁界を発生させ、この相互作用によりロータを回転している。永久磁石により形成される磁束が、ロータを径方向に貫く軸をd軸と呼び、ステータのステータコイルにより形成される磁束が、ロータを径方向に貫く軸をq軸とする。ロータ外周に設けられた永久磁石の間に突極部を設けて電機子電流による横軸(d軸)方向の磁束がロータ鉄心内を通り易くし、縦軸(q軸)のインダクタンスLqをd軸のインダクタンスLdより大きくして、リラクタンストルク(反作用トルク)を有効利用するモータもある。
 一般的な3相同期モータ200の全体構造について図3を用いて説明すると、3相同期モータ200は、コイル211が巻回されたステータ210と、ロータ220と、これらを収納するケース230とから成る。ロータ220の外周面には永久磁石221が設けられており、その軸心の回転軸222を、ケース230に設けられた軸受231及び232により回転自在に軸支している。
 このような永久磁石を用いた同期型モータの出力トルクTsは、下記数1により求められる。
(数1)
Ts=Tm+Tr

ここで、Tmは永久磁石の磁界φmによるトルク、Trはリラクタンストルクである。
 
リラクタンストルクTrは、下記数2により求められる。
(数2)
Tr=P(Lq-Ld)・Iq・Id 
ここで、Pは永久磁石の極対数、Lqはq軸インダクタンス、Ldはd軸インダクタンス、Iq,Idは電機子電流の各軸成分である。
 
数2から、一般に、q軸インダクタンスLqが大きく、d軸インダクタンスLdが小さければ、リラクタンストルクTrを大きくできることが分かる。なお、永久磁石によるトルクTmは、下記数3で定まる。
(数3)
Tm=φm・Iq
 しかしながら、従来の突極部を有する同期型モータでは、突極の形状や配置などに関して僅かな検討が加えられているに留まり、リラクタンストルクTrを最大限に利用するロータ構造について、十分な検討がなされているとは言い難かった。そのため、リラクタンストルクTrを有効利用して、モータの出力トルクTsを増大したり、同一トルクにおいてモータ形状を小型化する余地が残されていた。
 かかる問題を解決する同期型モータが、例えば特開平7-39031号公報(特許文献1)に開示されている。
 特許文献1に開示されている同期型モータは、図4に示すように、ロータ220は直交する位置に4箇所の突極部223~226を備え、突極部223~226は中心にはそれぞれスリット223A~226Aが設けられており、更にスリット223A~226Aのそれぞれ内周側端部はロータ220の周方向に延長され、周方向スリット223B~226Bを形成している。ロータ220の外周面であって、突極部223~226の中間位置には、永久磁石221が軸方向に亘って設けられている。なお、突極部223~226は、いずれも透磁率の高い磁性材料で構成されている。
 スリットは磁束にとってはエアギャップであり、その透磁率は低い。磁束は、エアギャップであるスリット223A~226Aを避けて磁路を形成しようとするから、永久磁石221が形成する磁路Mdは、ロータ220の周方向スリット223B~226Bの更に内周側を通り、永久磁石221に対向する各ティース227から、ステータ210のヨークの部位を通ったものとなる。2つの永久磁石221の間に存在する突極223~226は、エアギャップとしてのスリット223A~226Aにより径方向に分割されているから、突極部223~226の内部に小さいループ状の磁路が形成されることはない。このため、d軸インダクタンスLdは、極めて小さくなる。一方、ステータコイルへの通電により突極部223~226を通るように形成される磁路Mqは、周方向スリット223B~226Bの外周側を通り、突極223~226に対向する各スロット228からヨークの部位を通ったものとなる。この磁路に関するq軸インダクタンスLqは、d軸インダクタンスLdと較べて十分に大きな値となる。
 この結果、前記数2に基づき差(Lq-Ld)が大きくなるから、リラクタンストルクTrは大きくなり、同期型モータの出力トルクTsは、従来の単純な突極部を備えるものと較べて増加する。
特開平7-39031号公報 特開2008-72838号公報
 特許文献1に開示されたモータは、ロータの構成が磁石と複数の磁気的突極部で成っており、出力トルクを大きくすることができる。しかしながら、特許文献1の同期型モータでは、ステータとロータのスロットの相対位置によってリラクタンスが生じ、スロットの位置で起磁力が段階的に変わるのでトルクリップルが発生する。
 電動パワーステアリング装置で使用されるモータは、トルクリップルに起因する騒音や振動が厳しく制限されており、そのまま特許文献1の同期型モータを電動パワーステアリング装置に搭載することはできない。
 同期型モータのトルクリップルやコギングトルクを低減して低騒音化する場合、ステータ若しくはロータをスキューすることが知られており(例えば特開2008-72838号公報(特許文献2))、特許文献1に開示されたモータを電動パワーステアリング装置に搭載する場合には、ステータ若しくはロータを擬似的にスキューする必要がある。擬似的なスキューに対して連続的なスキューは磁束の変化が滑らかであるため、低騒音及び低振動の効果は大きいが、製造的な観点から擬似的なスキューが施されることが多い。
 しかしながら、連続的なスキューはモータ組立工程の上からも製造コストが嵩むが、擬似的なスキューであってもモータ組立工程の面では煩雑となる。即ち、トルクリップルやコギングトルクの対策のために、ロータを軸方向に所定数量分割し、ステップスキューによるリップル低減を図っているので、磁石個数が増加することで磁石加工費が増加し、ロータ組立工数が増加する。
 本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、磁石の加工コストの増加やロータ組立工数の増加を招くことなく、各磁極ピッチを不均等配置で構成することにより、機械角1周期のロータギャップ面内でのスキュー効果を得ることが可能なモータ並びにそれを搭載した電動パワーステアリング装置及び車両を提供することにある。
 本発明は、ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、前記磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが不均等配置されたモータに関し、本発明の上記目的は、機械角1周期のロータギャップ面内においてスキュー効果を持たせることにより、或いは機械角180°の範囲で線対称に磁極配置されてスキュー効果を持たせることにより達成される。
 また、本発明は、ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、前記磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが均等配置されたモータに関し、本発明の上記目的は、前記電気角1周期分の磁極ピッチのロータ構成を1つのスタックとし、前記スタックの1枚毎若しくは複数枚毎に、モータ周方向に所定角度ずつスキュー配置されていることにより達成される。
 本発明のモータによれば、各磁極ピッチが不均等配置で構成されており、或いは均等配置されて1つのスタックとして周方向に所定角度スキュー配置されており、これにより面内でのスキュー効果を得ることが可能となり、トルクリップル、コギングトルクの低減を図ることが可能となり、ステップスキュー構成と比較して磁石を分割せずに済むので、磁石個数を削減することができる。その結果、磁石の加工コストの低減、ロータ組立工数の低減が可能となる。
 上記モータを電動パワーステアリング装置に適用することにより安価で高出力化を図ることができ、かかる電動パワーステアリング装置を車両に搭載することにより、車両の一層のコストダウンを図ることができる。
電動パワーステアリング装置の概要を示す構成図である。 電動パワーステアリング装置のコントロールユニット(ECU)の構成例を示すブロック図である。 一般的な同期型モータの構造例を示す縦断面図である。 従来の同期型モータの一例を示す横断面図である。 本発明に係るモータの一例を示す横断面図である。 本発明に係るモータの構成例を示す一部断面斜視図である。 本発明のモータの構成例を示す横断面図である。
 本発明に係るモータは、マグネットトルクとリラクタンストルクによるトルク発生機構を有する同期型モータである。本発明の3相同期型モータ300は、図5及び図6に示すように、スロットにコイル311が巻回(集中巻)されたステータ310と、外周面に複数(本例では8個4対)の永久磁石321(N極、S極)が配設されたロータ320と、これらを収納するケース(図示せず)とから成る。ロータ320の外周面には、複数の永久磁石321が配置されていると共に、磁性体による複数の磁気的突極部322が設けられている。なお、図5及び図6では、ステータ310にコイルの巻回されていない状態を示している。
 永久磁石321は、磁気的突極部322の間に、N極磁石とS極磁石が交互に配置されている。そして、電気角4周期が機械角1周期に相当し、電気角の磁極ピッチP1~P4が不均等配置されている。即ち、磁極ピッチP1及びP4の機械角はA°、磁極ピッチP2及びP3の機械角はB°(≠A°)となっており、電気角の磁極ピッチP1~P4が不均等配置されている。これにより、機械角1周期のロータギャップ面内においてスキュー効果を有する。
 なお、図5では磁極ピッチP1及びP4をA°とし、磁極ピッチP2及びP3をB°としている。
 以下に、磁極ピッチ不均等配置された本発明のモータが、スキュー効果を有する理由を説明する。
 前述したモータトルク計算式(数2)からでも分かるように、モータのトルクは、周方向にわたり図5のようにP1,P2,P3,P4磁極対毎に分けて考えることができる。各磁極対に対応する電機子回転磁界の位相が同じに対して、ロータ側の磁石磁界の位相を進めたり遅らすことで(数6)、β=0のとき、リラクタンストルク成分の和は、Tr1~Tr4を第1磁極対~第4磁極対目のリラクタンストルクとして、
(数4)
Tr1+Tr2+Tr3+Tr4=0
 
が成立し、結果的にロータにスキューの効果をもたらすことになる。
 モータトルクTsは、第1磁極対~第4磁極対目のトルクをそれぞれTp1~Tp4として、下記数5で表される。
(数5)
Ts=Tp1+Tp2+Tp3+Tp4
ただし、Tp1=Tm1+Tr1,Tp2=Tm2+Tr2,Tp3=Tm3+Tr3,Tp4=Tm4+Tr4である。
 
また、上記数5における第1磁極対~第4磁極対目のマグネットトルクTm1~Tm4、第1磁極対~第4磁極対目のリラクタンストルクTr1~Tr4は、下記数6で表される。
(数6)
Tm1=Φm×Ia×cos(β-δ)
Tr1=(Lq-Ld)×Ia×sin(β-δ)×cos(β-δ)
Tm2=Φm×Ia×cos(β+δ)
Tr2=(Lq-Ld)×Ia×sin(β+δ)×cos(β+δ)
Tm3=Φm×Ia×cos(β+δ)
Tr3=(Lq-Ld)×Ia×sin(β+δ)×cos(β+δ)
Tm4=Φm×Ia×cos(β-δ)
Tr4=(Lq-Ld)×Ia×sin(β-δ)×cos(β-δ)
 ただし、Φmは各磁極対毎の磁石磁束総量、Iaは入力電流の振幅値、βはロータd軸に対する回転磁界の進角、δは回転磁界の位相に対するロータ進み角度である。
 
 機械角1周期のロータギャップ面内においてスキュー効果を有することから、トルクリップルやコギングトルクの低減を図ることが可能となり、ステップスキュー構成と比較して磁石個数を削減することができ、磁石の加工コストの低減、ロータ組立工数の低減が可能となる。
 また、本発明では、磁気的突極部322とN極磁石及びS極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチP1~P4が不均等配置されると共に、機械角180°の範囲で磁極ピッチP2及びP4が線対称(等角)に磁極配置されており、これによりスキュー効果を有する。磁極ピッチP1及びP2のトルクの合成を1つの合成磁極Paとみなし、一方、磁極ビッチP3及びP4のトルクの合成をもう1つの磁極Pbと考える場合、図5のような180度対称構成で、合成磁極Pa及びPbの位相をずらすことに相当する。結果的に合成磁極Pa及びPbの間のスキューを施すことに相当する。これにより、トルクリップルの更なる低減効果が得られる。
 図7の実施形態では、磁極ピッチP1及びP4の機械角Aが91.25度、磁極ピッチP2及びP3の機械角Bが88.75度となっている。
 上述の実施形態では、磁気的突極部とN極磁石及びS極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが不均等配置されているが、磁気的突極部とN極磁石及びS極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチを均等配置した場合には、スキュー効果を得るために、以下の構成とする。
即ち、電気角1周期分の磁極ピッチのロータ構成を1つのスタックとし、スタックの1枚毎若しくは複数枚毎に、モータ周方向に所定角度ずつスキュー配置する。本実施形態では、磁気的突極部とN極磁石及びS極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチを均等配置されているが、ロータの一部を構成するスタックが所定枚数ずつ周方向にスキューされているので、トルクリップルやコギングトルクの低減を図ることが可能である。
 なお、上述では磁石が8極、ステータコアが12スロットの同期型モータを例に挙げて説明しているが磁極数及びスロット数は任意であり、モータ相数も適宜選定できる。
1            ハンドル
2            コラム軸(ステアリングシャフト、ハンドル軸)
10           トルクセンサ
12           車速センサ
14           舵角センサ
20、200、300   モータ
30           コントロールユニット(ECU)
210、310      ステータ
220、320      ロータ
221、321      永久磁石(N極、S極)

Claims (9)

  1. ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、前記磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが不均等配置されることにより、機械角1周期のロータギャップ面内においてスキュー効果を有するモータ。
  2. ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、前記磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが不均等配置されることにより、機械角180°の範囲で線対称に磁極配置されてスキュー効果を有するモータ。
  3. 前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより、マグネットトルクとリラクタンストルクによるトルク発生機構を形成している同期型モータである請求項1又は2に記載のモータ。
  4. 前記ロータ磁極が4極の磁極ピッチP1~P4で構成され、前記磁極ピッチP1及びP4の機械角がA°、前記磁極ピッチP2及びP3の機械角がB°(≠A°)である請求項1乃至3のいずれかに記載のモータ。
  5. 前記機械角A°が91.25°、前記機械角B°が88.75°である請求項4に記載のモータ。
  6. ロータ磁極が磁性体による複数の磁気的突極部で構成され、前記磁気的突極部の間のロータ表面にN極磁石及びS極磁石が交互に配置され、前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより構成される電気角1周期分の磁極ピッチが均等配置されると共に、前記電気角1周期分の磁極ピッチのロータ構成を1つのスタックとし、前記スタックの1枚毎若しくは複数枚毎に、モータ周方向に所定角度ずつスキュー配置されているモータ。
  7. 前記磁気的突極部と前記N極磁石及び前記S極磁石とにより、マグネットトルクとリラクタンストルクによるトルク発生機構を形成している同期型モータである請求項6に記載のモータ。
  8. 請求項1乃至7のいずれかに記載のモータを搭載し、少なくとも操舵トルクに基づいて演算された電流指令値により、車両の操舵系にアシスト力を付与する電動パワーステアリング装置。
  9. 請求項8に記載の電動パワーステアリング装置を搭載している車両。
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