WO2023276680A1 - 回転電機 - Google Patents

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WO2023276680A1
WO2023276680A1 PCT/JP2022/024054 JP2022024054W WO2023276680A1 WO 2023276680 A1 WO2023276680 A1 WO 2023276680A1 JP 2022024054 W JP2022024054 W JP 2022024054W WO 2023276680 A1 WO2023276680 A1 WO 2023276680A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
teeth
groove
magnetic
magnetic flux
grooves
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/024054
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
駿 竹内
明弘 木村
彰 杉浦
Original Assignee
株式会社デンソー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16Stator cores with slots for windings
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles

Definitions

  • the present disclosure relates to rotating electric machines.
  • Patent Document 1 can reduce the cogging torque when no current is supplied by providing the pseudo slots, there is a problem that the magnetic flux distortion increases when the current is supplied and torque ripple increases. For example, when applied to a steering assist motor for an electric power steering device, torque ripple increases in the low to medium assist torque range, which may deteriorate the driver's steering feeling.
  • An object of the present disclosure is to provide a rotating electric machine capable of reducing cogging torque when not energized and reducing torque ripple when energized.
  • the stator and rotor are arranged coaxially with respect to the rotating shaft.
  • the stator is formed by winding a winding around an annular stator core.
  • the rotor has a plurality of magnets attached along the outer periphery of a cylindrical rotor core, and rotates inside the stator by a rotating magnetic field generated by energizing the windings.
  • the stator core is provided with a plurality of teeth extending in the radial direction from a back yoke portion forming the outer edge of the ring, and a plurality of teeth having flanges protruding from the main body portion to both sides in the circumferential direction at the tip of the main body portion. ing.
  • the tooth has a plurality of recessed grooves that are recessed toward the back yoke portion from one end to the other end in the rotation axis direction on the tip surface of the body portion.
  • the plurality of grooves may be formed parallel to the rotation axis, or may be inclined with respect to the rotation axis.
  • One or more magnetic flux reducers which are made of non-magnetic material or space at corresponding positions between circumferentially adjacent grooves and reduce the magnetic flux passing through the inflow magnetic path, which is the magnetic path between the adjacent grooves. department is provided.
  • the "non-magnetic material” forming the magnetic flux reducing portion includes non-magnetic metals such as resin and aluminum.
  • the "space” includes holes penetrating in the direction of the thickness of the plate, depressions in which the thickness of the plate is locally thinned, and the like.
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of a motor (rotating electric machine) of each embodiment
  • FIG. 2 is a plan view of teeth according to the first embodiment
  • 3 is a view of the tooth tip surface according to the first embodiment, viewed in the direction of arrow III in FIG. 2
  • 4A is a cross-sectional view of the tooth according to the first embodiment taken along line IV-IV of FIG. 2
  • 4B is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 2 of a tooth according to a modification of the first embodiment
  • FIG. 1 is a radial cross-sectional view of a motor (rotating electric machine) of each embodiment
  • FIG. 2 is a plan view of teeth according to the first embodiment
  • 3 is a view of the tooth tip surface according to the first embodiment, viewed in the direction of arrow III in FIG. 2
  • 4A is a cross-sectional view of the tooth according to the first embodiment taken along line IV-IV of FIG. 2
  • 4B is a
  • FIG. 5 is an enlarged view of the tip of the teeth for explaining the shape of the magnetic flux reduction portion and the angle between the concave grooves;
  • FIG. 6 is an enlarged view of the tips of the teeth for explaining the relationship between the widths of the magnetic paths;
  • FIG. 7A is a diagram of the tooth tip portion of Comparative Example A;
  • FIG. 7B is a diagram of the tooth tip portion of Comparative Example B;
  • FIG. 8 is a diagram comparing torque ripple characteristics with respect to line current between the first embodiment and a comparative example;
  • FIG. 9A is a diagram comparing the cogging torque of the first embodiment and the comparative example when no current is applied (part a in FIG. 8);
  • FIG. 9B is a diagram comparing the torque ripple when energized (part b in FIG.
  • FIG. 10 is a plan view of teeth according to the second embodiment
  • FIG. 11 is an enlarged view of the tooth tip portion according to the third embodiment
  • FIG. 12 is an enlarged view of the tooth tip portion according to the fourth embodiment
  • FIG. 13 is a diagram of the tooth stage skew structure of the stator core according to the fifth embodiment
  • FIG. 14 is a diagram of a stator core tooth linear skew structure according to a sixth embodiment
  • FIG. 15 is a diagram of the recessed groove step skew structure of the stator core according to the seventh embodiment
  • FIG. 16 is a diagram of the concave groove linear skew structure of the stator core according to the eighth embodiment
  • FIG. 17 is a diagram of the magnetic stage skew structure of the rotor core according to the ninth embodiment
  • FIG. 18 is a diagram of the magnetic linear skew structure of the rotor core according to the tenth embodiment.
  • the rotary electric machine of this embodiment is a permanent magnet three-phase brushless motor, and is applied to, for example, a steering assist motor of an electric power steering device.
  • a steering assist motor is required to reduce output torque pulsation (hereinafter referred to as "torque ripple") in order to prevent deterioration of the driver's steering feeling.
  • FIG. 1 A radial cross-sectional configuration of the motor 10 will be described with reference to FIG. In FIG. 1, cross-sectional hatching is omitted for the stator core and the rotor core.
  • the motor 10 has a stator 30 and a rotor 50 arranged coaxially with respect to the rotation axis O. As shown in FIG. In the following specification, the rotation axis O serves as a reference for the positional relationship of each part.
  • "Rotating axis direction” means a direction orthogonal to the paper surface of FIG. The angle indicating the interval or deviation in the circumferential direction is represented by the angle around the rotation axis O.
  • the stator 30 is formed by winding a three-phase winding 35 around an annular stator core 31 housed in a cylindrical housing 20 .
  • the rotor 50 has a plurality of (eight in this embodiment) magnets 55 attached along the outer periphery of a cylindrical rotor core 51 .
  • Magnet 55 is a permanent magnet.
  • FIG. 1 shows an IPM structure in which the magnets 55 are embedded in the rotor core 51, an SPM structure in which the magnets 55 are placed on the surface of the rotor core 51 may be used.
  • the rotor 50 rotates inside the stator 30 due to the rotating magnetic field generated by energizing the windings 35 .
  • a shaft 59 fixed to the center of the rotor 50 is supported by bearings (not shown) at both ends in the axial direction. Torque of the motor 10 is output from one end of the shaft 59 to the load through the transmission mechanism.
  • the stator core 31 and rotor core 51 are made of iron.
  • the stator core 31 and the rotor core 51 may be formed by laminating a plurality of thin plates such as electromagnetic steel plates in the axial direction, or may be integrally formed.
  • the stator core 31 illustrated in FIG. 1 is composed of divided stator cores in which a back yoke portion 41 forming the outer edge of an annular ring is divided into 12 in the circumferential direction.
  • the stator core 31 is provided with a plurality of teeth 401 (12 in this embodiment) in the circumferential direction.
  • FIG. 1 shows the shape of teeth 401 of the first embodiment as a representative.
  • the tooth 401 has a main body portion 42 and a flange portion 43 .
  • the body portion 42 extends radially inward from the back yoke portion 41 .
  • the flange portion 43 protrudes from the body portion 42 at the distal end of the body portion 42 to both sides in the circumferential direction.
  • the tip end surface of the body portion 42 faces the outer peripheral surface of the rotor 50, and the magnetic flux of the magnet 55 flows into it.
  • a space between the main body portions 42 of the teeth 401 adjacent in the circumferential direction forms a slot in which the winding wire 35 is accommodated.
  • the radial range of the slot is restricted on the outside by the back yoke portion 41 and on the inside by the collar portion 43 .
  • the number of slots is equal to the number of teeth 401, twelve in this embodiment.
  • P denotes the number of magnets 55 of the rotor 50 (in other words, the number of magnetic poles)
  • S denotes the number of teeth in the stator 30 (in other words, the number of slots).
  • the number of magnets P is 8 and the number of teeth S is 12, so it is expressed as "8P12S".
  • the least common multiple of the number of magnets P and the number of teeth S is k
  • the least common multiple k is 24 in this configuration.
  • Patent Document 1 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-136001 discloses a configuration in which pseudo slots are provided on the tip surfaces of teeth for the purpose of reducing cogging torque.
  • the pseudo slot can reduce the cogging torque when no current is applied, there is a problem that the magnetic flux distortion is worsened when the current is applied, resulting in an increase in torque ripple.
  • the present embodiment it is an object to provide a rotating electric machine capable of reducing cogging torque when not energized and reducing torque ripple when energized.
  • a specific configuration is mainly provided for the teeth of the stator core 31 .
  • configurations of teeth and the like of each embodiment will be described in order.
  • the tooth code of each embodiment the number of the embodiment is attached to the third digit following "40".
  • the stator core 31 divided into 12 has a central angle of 30° between both circumferential ends of the back yoke portion 41 .
  • the teeth 401 are formed symmetrically with respect to a symmetry axis V passing through the rotation axis O.
  • the teeth 401 are formed symmetrically with respect to a virtual plane including the rotation axis O.
  • FIG. 3 shows tip surfaces of teeth 401 formed with a laminated structure of thin plates.
  • Two recessed grooves 441 and 442 recessed toward the back yoke 41 side are formed in the front end surface of the body portion 42 .
  • the recessed grooves 441 and 442 correspond to the pseudo slots of Patent Document 1.
  • the two grooves 441 and 442 are arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry V of the tooth 401 and formed in parallel. Therefore, the two grooves 441 and 442 are arranged with the axis of symmetry V interposed therebetween.
  • the concave grooves 441 and 442 of the first embodiment are formed parallel to the rotation axis O from one end to the other end in the direction of the rotation axis. It is obvious that the two grooves 441 and 442 are adjacent in the circumferential direction.
  • a magnetic path formed between the two grooves 441 and 442 along the tip surface of the main body 42 is defined as an inflow magnetic path 46 .
  • the magnetic flux of the magnet 55 mainly flows into the main body 42 through the inflow magnetic path 46 .
  • a magnetic path between the corners of the grooves 441 and 442 on the side away from the axis of symmetry V and the circumferential end of the flange 43 is defined as an outer inflow magnetic path 49 .
  • the magnetic flux of the magnet 55 passes through the outer inflow magnetic path 49 to the main body 42 . influx.
  • a magnetic flux reducing portion 45 that reduces the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 is provided at a position corresponding to between the grooves 441 and 442 .
  • the position corresponding to between the recessed grooves 441 and 442 is a position between the circumferentially extending portions of the recessed grooves 441 and 442 toward the back yoke portion 41 side.
  • one magnetic flux reducing portion 45 is arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry V of the tooth 401 . Therefore, one magnetic flux reduction portion 45 is arranged so that its center is positioned on the axis of symmetry V.
  • the magnetic flux reducing portion 45 of the first embodiment is formed of "holes" penetrating in the plate thickness direction.
  • the magnetic flux reduction portion 45 may be formed as a "dent” in which the plate thickness is locally reduced by a construction method such as crimping or crushing. Voids and depressions are encompassed by the term "space”.
  • a space containing air with a low magnetic permeability functions as a magnetic flux reduction section 45 .
  • the magnetic flux reducing portion 45 may be configured by embedding a non-magnetic material such as resin or aluminum in the holes or recesses.
  • the motor 10 of the present embodiment has the recessed grooves 441 and 442 in the same manner as the prior art disclosed in Patent Document 1, thereby reducing the cogging torque during non-energization.
  • the grooves 441 and 442 distort the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 when energized. Torque ripple during energization can be reduced.
  • the tooth 401 of the first embodiment has two concave grooves 441 and 442 and one magnetic flux reducing portion 45, so that a simple configuration can be realized.
  • the grooves 441 and 442 and the magnetic flux reduction portion 45 are arranged symmetrically with respect to the axis of symmetry V of the teeth 401, there is no characteristic difference such as torque ripple depending on the rotation direction.
  • the concave grooves 441 and 442 are formed parallel to the axis of symmetry V of the tooth 401, manufacturing is easy.
  • FIG. 5 the magnetic flux reducing portion 45 is formed in an oval shape in which the length Da in the circumferential direction of the tooth 401 is longer than the length Db in the radial direction of the tooth 401 . From the viewpoint of making it difficult for the teeth 401 to be magnetically saturated, it is preferable to minimize the area of the magnetic flux reducing portion 45 and secure the main body portion 42 made of iron as large as possible.
  • the longer the length Da of the teeth 401 in the circumferential direction the more the magnetic flux from the inflow magnetic path 46 toward the back yoke portion 41 detours from the front to both sides of the magnetic flux reduction portion 45, increasing the magnetic resistance. Therefore, by making the length Da in the circumferential direction of the teeth 401 longer than the length Db in the radial direction, the decrease in the total amount of magnetic flux is suppressed to a minimum, and the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 is further restricted. torque ripple can be further reduced.
  • inter-groove angle ⁇ g the angle between the centers of the two grooves 441 and 442 in the circumferential direction about the rotation axis O is referred to as an inter-groove angle ⁇ g.
  • the inter-groove angle ⁇ g is configured to be “7° ⁇ g ⁇ 9°”. This maximizes the torque ripple reduction effect.
  • first outflow magnetic path 471 two magnetic paths from the inflow magnetic path 46 to the back yoke portion 41 via both sides of the magnetic flux reduction portion 45 are defined as a first outflow magnetic path 471 and a second outflow magnetic path 472 .
  • the sum (G1+G2) of the width G1 of the first outflow magnetic path 471 and the width G2 of the first outflow magnetic path 471 is configured to be smaller than the width F of the inflow magnetic path 46 .
  • the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 is limited to the sum of the magnetic fluxes passing through the first outflow magnetic path 471 and the second outflow magnetic path 472 or less. Therefore, torque ripple during energization can be further reduced.
  • the width F of the inflow magnetic path 46 is shorter than the width E of the outer inflow magnetic path 49 .
  • the widths E of both outer inflow magnetic paths 49 are equal. Since the total amount of magnetic flux from the magnets 55 of the rotor 50 to the stator 30 is reduced by the presence of the magnetic flux reduction portion 45, the motor output is reduced. If the width F of the inflow magnetic path 46 is made longer than the width E of the outer inflow magnetic path 49, the magnetic flux reducing portion 45 must be enlarged in order to reduce the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46, and the motor output is greatly reduced. .
  • the width F of the inflow magnetic path 46 is made shorter than the width E of the outer inflow magnetic path 49 .
  • the effect of the magnetic flux reducing portion 45 concentrates only on the inflow magnetic path 46 .
  • Teeth 409a of Comparative Example A shown in FIG. A tooth 409b of Comparative Example B shown in FIG. 7B has two concave grooves 441 and 442 at the tip of the body portion 42, but is not provided with a magnetic flux reducing portion.
  • Comparative Example B corresponds to the prior art disclosed in Patent Document 1.
  • FIG. 8 shows the torque ripple characteristics with respect to the line current (effective value) of the motor 10. Numerical values other than 0 on the horizontal and vertical axes are omitted.
  • the region where the line current is less than the boundary value Ix corresponds to the low to medium assist torque region
  • the region where the line current is equal to or greater than the boundary value Ix corresponds to the high assist torque region.
  • the torque ripple increases almost monotonically as the line current increases, and reaches a maximum in the high assist torque region.
  • Comparative Example B the torque ripple is maximized in the low to medium assist torque region.
  • the torque ripple maximum value of Comparative Example B is larger than the torque ripple maximum values of the first embodiment and Comparative Example A in the high assist torque region.
  • Fig. 9A shows the cogging torque when no current is applied (part a in Fig. 8).
  • FIG. 9B shows the torque ripple during energization in the low to medium assist torque range (part b in FIG. 8). Numerical values other than 0 on the vertical axis are omitted. The difference from the positive peak to the negative peak of each waveform is the cogging torque and torque ripple.
  • an electrical angle of 360° corresponds to a mechanical angle of 90°. Therefore, the period of 60° of the 6th order component of the electrical angle, which is one scale of the horizontal axis, corresponds to the period of 15° of the 24th order component of the mechanical angle.
  • the 24th-order cogging torque is large in Comparative Example A having no concave grooves, whereas the 24th-order cogging torque is reduced in Comparative Example B having concave grooves 441 and 442 . Furthermore, in the first embodiment, the cogging torque of the 24th order is smaller than in the comparative example B as well. Thus, in the first embodiment, it was verified that the effect of the grooves 441 and 442 reduces the cogging torque during non-energization.
  • teeth 402 of the second embodiment will be described with reference to FIG. 10 .
  • the two grooves 441 and 442 are not parallel to the axis of symmetry V of the tooth 402, but radially around the rotation axis O.
  • the depths of the concave grooves 441 and 442 are shown deep for easy understanding. This reduces the width F of the inflow magnetic path 46 while maintaining the dimensions of the magnetic flux reducing portion 45 and the outflow magnetic paths 471 and 472 in FIG. Therefore, it is possible to further limit the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 and further reduce the torque ripple during energization.
  • the configuration of teeth 403 of the third embodiment will be described with reference to FIG. 11 .
  • the length Da of the magnetic flux reducing portion 45 in the circumferential direction of the teeth 403 is formed longer than the width F of the inflow magnetic path 46 .
  • the magnetic flux directed from the inflow magnetic path 46 to the back yoke portion 41 greatly detours from the front to both sides of the magnetic flux reduction portion 45 as indicated by the dashed arrow ⁇ , thereby increasing the magnetic resistance. Therefore, it is possible to further limit the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 and further reduce the torque ripple during energization.
  • the number of concave grooves formed in the teeth and the number of magnetic flux reducing portions provided are not limited to those of the first to third embodiments. That is, the tooth has two or more recessed grooves and a total of two or more magnetic flux reduction portions provided one or more corresponding to the inflow magnetic path between the recessed grooves adjacent in the circumferential direction. good too.
  • the configuration of a tooth 404 according to the fourth embodiment having different numbers of concave grooves and magnetic flux reducing portions will be described with reference to FIG. 12 .
  • a tooth 404 of the fourth embodiment has four concave grooves 445-448 and four magnetic flux reduction portions 455-458.
  • a first recessed groove 445, a second recessed groove 446, a third recessed groove 447 and a fourth A groove 448 is formed symmetrically with respect to the axis of symmetry V. As shown in FIG. The second groove 446 and the third groove 447 near the symmetry axis V are relatively deep, and the first groove 445 and the fourth groove 448 far from the symmetry axis V are relatively shallow.
  • the first magnetic flux reducing portion 455 is provided corresponding to the first inflow magnetic path 461 between the first groove 445 and the second groove 446 .
  • the second magnetic flux reducing portion 456 and the third magnetic flux reducing portion 457 are provided corresponding to the second inflow magnetic path 462 between the second groove 446 and the third groove 447 .
  • the fourth magnetic flux reducing portion 458 is provided corresponding to the third inflow magnetic path 463 between the third grooves 447 and 448 .
  • the second magnetic flux reduction portion 456 and the third magnetic flux reduction portion 457 are relatively large circles.
  • the first magnetic flux reduction portion 455 and the fourth magnetic flux reduction portion 458 are relatively small circles.
  • the magnetic paths from the first inflow magnetic path 461 to the back yoke portion 41 via both sides of the first magnetic flux reduction portion 455 are referred to as a first outflow magnetic path 481 and a second outflow magnetic path 482 .
  • the magnetic paths toward the back yoke portion 41 via the groove 447 are referred to as a third outflow magnetic path 483, a fourth outflow magnetic path 484, and a fifth outflow magnetic path 485, respectively.
  • a magnetic path from the third inflow magnetic path 463 to the back yoke portion 41 via both sides of the fourth magnetic flux reduction portion 458 is referred to as a sixth outflow magnetic path 486 and a second outflow magnetic path 487 .
  • the widths of the first, second and third inflow magnetic paths 461, 462 and 463 be F1, F2 and F3, respectively.
  • the widths of the first, second, third, fourth, fifth, sixth and seventh outflow magnetic paths 481, 482, 483, 484, 485, 486 and 487 are respectively H1, H2, H3, H4, H5, H6 and H7.
  • the total width of the seven outflow magnetic paths 481-487 (H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7) is smaller than the total width of the three inflow magnetic paths 461-463 (F1+F2+F3). Its operational effect conforms to that of the first embodiment.
  • four grooves 445-448 may be radially formed. Also, the number and arrangement of the concave grooves and the magnetic flux reducing portions may be appropriately set according to required characteristics, ease of manufacture, and the like.
  • [Skew structure] 13 to 18 show fifth to tenth embodiments employing a skew structure for the purpose of reducing cogging torque.
  • the skew structure is a twisted structure in which the magnetic resistance between the stator 30 and the rotor 50 is shifted in order according to the position in the rotation axis direction.
  • either the entire tooth, only the recessed grooves of the tooth, or the magnet of the rotor has a skew structure.
  • Reference numerals for the stator core, teeth, or rotor core, which are used only in the skew structure embodiment, are omitted.
  • the skew structure includes a step skew structure and a linear skew structure.
  • a plurality of steps are stacked such that the circumferential distribution of magnetoresistance shifts stepwise in a predetermined direction.
  • n n ⁇ 2
  • a unit of one stage forming a stator core with a stage skew structure is referred to as a "sub-stator core”.
  • a unit of one stage forming a rotor core with a stage skew structure is called a "sub-rotor core”.
  • Each embodiment assumes an 8P12S configuration in which the number of magnets P of the rotor 50 is 8 and the number of teeth S is 12, and aims to reduce the cogging torque of at least the 24th order component corresponding to the least common multiple k of 8 and 12.
  • reduction of the 8th-order component and the 12th-order component may also be aimed at.
  • each embodiment aims at least to reduce the cogging torque of the kth-order component corresponding to the least common multiple of the number of magnets P and the number of teeth S of the rotor 50 .
  • the theoretical angle that minimizes the cogging torque of the kth-order component is calculated by the formula described later.
  • the skew angle in each embodiment is preferably configured to fall within the range of "greater than 0 and equal to or less than the theoretical angle" so as not to exceed the theoretical angle that minimizes the cogging torque of the k-order component. It should be noted that the portion “greater than 0” is self-explanatory and will be omitted as appropriate. In each embodiment, the cogging torque is appropriately reduced in combination with the effect of the concave grooves 441 and 442 .
  • the fifth and sixth embodiments will be described with reference to FIGS.
  • the entire teeth of the stator core are configured with a skew structure.
  • the fifth embodiment shown in FIG. 13 has a stepped skew structure with a plurality of steps (three steps in the example).
  • the sixth embodiment shown in FIG. 14 is a linear skew structure.
  • sub-stator cores 3151, 3152, and 3153 having concave grooves 441 and 442 extending parallel to the rotation axis O are laminated in three stages.
  • the teeth 405 of each stage are formed symmetrically with respect to the axis of symmetry V, and conform to the configuration of the teeth 401 of the first embodiment.
  • the positions of the grooves 441 and 442 in the teeth 405 of each stage are constant, and the positions of the grooves 441 and 442 in the circumferential direction are shifted in a predetermined direction according to the position of each stage.
  • a recessed groove step skew angle ⁇ sd about the rotation axis O between adjacent recessed grooves 441 and 442 is configured to fall within the range of the following formula.
  • an angle indicator line is shown at an intermediate position between the two grooves 441 and 442. As shown in FIG. 0 ⁇ sd ⁇ 360°/k/n
  • the concave groove step skew angle ⁇ sd when the cogging torque of the 24th order component is targeted for reduction is 5° or less in the three-step skew structure.
  • the concave groove step skew angle ⁇ sd is 7.5° or less.
  • the stator core 315 of the sixth embodiment has a linear skew structure in which the concave grooves 441 and 442 of the teeth 406 are inclined with respect to the rotation axis O at a constant angle.
  • the shape of the tip surface of the tooth 406 viewed from the rotation axis O side is a parallelogram.
  • the teeth 406 are not symmetrical with respect to a certain plane. However, in each section perpendicular to the rotation axis O, the teeth 406 are formed symmetrically with respect to the symmetry axis V passing through the rotation axis O. Further, the grooves 441 and 442 and the magnetic flux reduction portion 45 are arranged symmetrically with respect to the symmetry axis V of the tooth 406 in each cross section orthogonal to the rotation axis O. In each cross section orthogonal to the rotation axis O, the width F of the inflow magnetic path 46 is shorter than the width E of the outer inflow magnetic path 49, as in the first embodiment.
  • a concave groove linear skew angle ⁇ sL between one end and the other end of the concave grooves 441 and 442 about the rotation axis O is configured to fall within the range of the following formula.
  • an angle indicator line is shown at an intermediate position between the two grooves 441 and 442. As shown in FIG. 0 ⁇ sL ⁇ 360°/k
  • the concave groove linear skew angle ⁇ sL is 15° or less.
  • Seventh and eighth embodiments will be described with reference to FIGS.
  • only the recessed grooves 441, 442 of the tooth tip portions of the stator core are configured with a skew structure.
  • the seventh embodiment shown in FIG. 15 has a stepped skew structure with a plurality of steps (three steps in the example).
  • the eighth embodiment shown in FIG. 16 is a linear skew structure.
  • sub-stator cores 3171, 3172, and 3173 having concave grooves 441 and 442 extending parallel to the rotation axis O are laminated in three stages. All of the teeth 4071, 4072, 4073 of each stage are arranged at the same position in the circumferential direction, and only the positions of the grooves 441, 442 of the teeth 4071, 4072, 4073 are shifted. Therefore, the circumferential positions of the grooves 441 and 442 are shifted in a predetermined direction according to the position of each step.
  • the recessed groove step skew angle ⁇ sd between the adjacent recessed grooves 441 and 442 about the rotation axis O is configured to fall within the range of the following formula, as in the fifth embodiment.
  • an angle indicator line is shown at an intermediate position between the two concave grooves 441 and 442. As shown in FIG. 0 ⁇ sd ⁇ 360°/k/n
  • the stator core 318 of the eighth embodiment has a linear skew structure in which the concave grooves 441 and 442 of the teeth 408 are inclined with respect to the rotation axis O at a constant angle.
  • the teeth 408 themselves do not have a skew shape, but have a rectangular shape when viewed from the rotation axis O side.
  • a concave groove linear skew angle ⁇ sL between one end and the other end of the concave grooves 441 and 442 about the rotation axis O is configured to fall within the range of the following formula, as in the sixth embodiment.
  • an angle indicating line is shown at an intermediate position between the two concave grooves 441 and 442. As shown in FIG. 0 ⁇ sL ⁇ 360°/k
  • the ninth and tenth embodiments will be described with reference to FIGS.
  • the magnets of the rotor core are configured with a skew structure.
  • the ninth embodiment shown in FIG. 17 has a stage skew structure with a plurality of stages (three stages in the example).
  • the tenth embodiment shown in FIG. 18 is a linear skew structure.
  • a rotor core 519 of the ninth embodiment has sub-rotor cores 5191, 5192, and 5193 in which magnets 55 extend parallel to the rotation axis O and are laminated in three stages.
  • the circumferential position of the magnet 55 is shifted in a predetermined direction according to the position of each stage.
  • the magnet stage skew angle ⁇ sd about the rotation axis O between the magnets 55 in adjacent stages is configured to fall within the range of the following formula. Examples of the step skew angle are the same as in the fifth and seventh embodiments. 0 ⁇ sd ⁇ 360°/k/n
  • the rotor core 520 of the tenth embodiment has a linear skew structure in which the magnets 55 are inclined with respect to the rotation axis O at a constant angle.
  • a magnet linear skew angle ⁇ sL between one end and the other end of the magnet 55 about the rotation axis O is configured to fall within the range of the following formula. Examples of linear skew angles are the same as in the sixth and eighth embodiments. 0 ⁇ sL ⁇ 360°/k
  • the number of magnets P of the rotor 50 and the number of teeth S of the stator 30 may be a combination of "2:3" such as 4P6S, 6P9S, etc., in addition to 8P12S in the above embodiment. Combinations other than "2:3" such as 10P12S may also be used.
  • the shape of the magnetic flux reduction portion 45 is not limited to an oval or a circle, and may be any shape. Further, the magnetic flux reducing portion 45 is not limited to a space such as a hole or a depression, and may be made of a non-magnetic material having a smaller magnetic permeability than iron. Non-magnetic materials include resins and non-magnetic metals such as aluminum. For example, by configuring the magnetic flux reducing portion 45 with a non-magnetic material embedded in the holes or recesses, the effect of reducing the magnetic flux passing through the inflow magnetic path 46 is enhanced.
  • the rotating electrical machine of the present disclosure may be used not only as a steering assist motor for an electric power steering device, but also as a motor or generator for any application that requires reduction in cogging torque or torque ripple.

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Abstract

ステータコア(31)は、円環の外縁をなすバックヨーク部(41)から径内方向に延伸する本体部(42)、及び、本体部(42)の先端において本体部(42)から周方向両側に突出する鍔部(43)を有するティース(401-404)が周方向に複数設けられている。ティース(401-404)は、本体部(42)の先端面に、回転軸方向の一端から他端にわたってバックヨーク部(41)側に凹む複数の凹溝(441、442、445-448)が形成されている。周方向に隣接する凹溝の間に対応する位置に、非磁性材料または空間で構成され、隣接する凹溝の間の磁路である流入磁路(46、461-463)を通る磁束を低減する一つ以上の磁束低減部(45、455-458)が設けられている。

Description

回転電機 関連出願の相互参照
 本出願は、2021年6月29日に出願された日本出願番号2021-107543号に基づくものであり、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、回転電機に関する。
 従来、永久磁石式の回転電機において、ステータコアのティース形状に変更を加えることで無通電時のコギングトルクを低減する技術が知られている。例えば特許文献1に開示された永久磁石形モータは、ティースの先端部に、1つのティースにつき2個の疑似スロットが設けられている。疑似スロットを設けることで、スロットの空間高調波が分散されてコギングトルクの周波数帯域が高次にシフトする効果があると記載されている。
特開2002-136001号公報
 特許文献1のモータは、疑似スロットを設けたことにより無通電時のコギングトルクを低減可能である反面、通電時の磁束歪が悪化し、トルクリプルが大きくなるという問題がある。例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用した場合、低~中アシストトルク領域でのトルクリプルが増加し、ドライバの操舵フィーリングを悪化させるおそれがある。
 本開示の目的は、無通電時のコギングトルクを低減するとともに通電時のトルクリプルを低減可能な回転電機を提供することにある。
 本開示の回転電機は、ステータと、ロータとが回転軸に対して同軸に配置されている。ステータは、環状のステータコアに巻線が巻回されてなる。ロータは、円筒状のロータコアの外周に沿って複数の磁石が取り付けられてなり、巻線への通電により生成される回転磁界によりステータの内側で回転する。
 ステータコアは、円環の外縁をなすバックヨーク部から径内方向に延伸する本体部、及び、本体部の先端において本体部から周方向両側に突出する鍔部を有するティースが周方向に複数設けられている。
 ティースは、本体部の先端面に、回転軸方向の一端から他端にわたってバックヨーク部側に凹む複数の凹溝が形成されている。複数の凹溝は、回転軸に対して平行に形成されてもよく、回転軸に対して傾斜していてもよい。
 周方向に隣接する凹溝の間に対応する位置に、非磁性材料または空間で構成され、隣接する凹溝の間の磁路である流入磁路を通る磁束を低減する一つ以上の磁束低減部が設けられている。磁束低減部を構成する「非磁性材料」には、樹脂やアルミニウム等の非磁性金属が含まれる。「空間」には、板厚方向に貫通する空孔や板厚を局所的に薄くした窪み等が含まれる。
 本開示では、特許文献1の従来技術と同様に、凹溝を有することで無通電時のコギングトルクが低減される。また、凹溝により通電時に流入磁路を通る磁束が歪むが、磁束低減部が流入磁路の磁気抵抗を増加させ、流入磁路を通る磁束を低減することで、通電時のトルクリプルを低減することができる。よって、例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用した場合、低~中アシストトルク領域でのトルクリプルを低減し、ドライバの操舵フィーリングを向上させることができる。
 本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、各実施形態のモータ(回転電機)の径方向断面図であり、 図2は、第1実施形態によるティースの平面図であり、 図3は、第1実施形態によるティース先端面の、図2のIII方向矢視図であり、 図4Aは、第1実施形態によるティースの、図2のIV-IV線断面図であり、 図4Bは、第1実施形態の変形例によるティースの、図2のIV-IV線断面図であり、 図5は、磁束低減部の形状及び凹溝間角度を説明するティース先端部の拡大図であり、 図6は、磁路の幅の関係を説明するティース先端部の拡大図であり、 図7Aは、比較例Aのティース先端部の図であり、 図7Bは、比較例Bのティース先端部の図であり、 図8は、第1実施形態と比較例との線電流に対するトルクリプル特性を比較した図であり、 図9Aは、第1実施形態と比較例との無通電時(図8のa部)のコギングトルクを比較した図であり、 図9Bは、第1実施形態と比較例との通電時(図8のb部)のトルクリプルを比較した図であり、 図10は、第2実施形態によるティースの平面図であり、 図11は、第3実施形態によるティース先端部の拡大図であり、 図12は、第4実施形態によるティース先端部の拡大図であり、 図13は、第5実施形態によるステータコアのティース段スキュー構造の図であり、 図14は、第6実施形態によるステータコアのティースリニアスキュー構造の図であり、 図15は、第7実施形態によるステータコアの凹溝段スキュー構造の図であり、 図16は、第8実施形態によるステータコアの凹溝リニアスキュー構造の図であり、 図17は、第9実施形態によるロータコアの磁石段スキュー構造の図であり、 図18は、第10実施形態によるロータコアの磁石リニアスキュー構造の図である。
 回転電機の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。第1~第10実施形態を包括して「本実施形態」という。本実施形態の回転電機は永久磁石式の3相ブラシレスモータであり、例えば電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用される。操舵アシストモータでは、ドライバの操舵フィーリングの悪化を防ぐため、出力トルクの脈動(以下「トルクリプル」)の低減が求められる。
 図1を参照し、モータ10の径方向断面構成について説明する。図1では、ステータコア及びロータコアについて、断面ハッチングを省略する。モータ10は、ステータ30とロータ50とが回転軸Oに対して同軸に配置されている。以下の明細書中、回転軸Oは各部の位置関係の基準となる。「回転軸方向」は図1の紙面に直交する方向を意味する。周方向の間隔やずれを示す角度は、回転軸Oを中心とする角度で表される。
 ステータ30は、筒状のハウジング20に収容された環状のステータコア31に3相の巻線35が巻回されてなる。ロータ50は、円筒状のロータコア51の外周に沿って複数(本実施形態では8個)の磁石55が取り付けられてなる。磁石55は永久磁石である。図1には、磁石55がロータコア51に埋め込まれたIPM構造を示すが、磁石55がロータコア51の表面に設置されたSPM構造であってもよい。
 ロータ50は、巻線35への通電により生成される回転磁界によりステータ30の内側で回転する。ロータ50の中心に固定されたシャフト59は、軸方向の両端が図示しない軸受により支持されている。モータ10のトルクは、シャフト59の一端から伝達機構を介して負荷に出力される。
 ステータコア31及びロータコア51は鉄製である。ステータコア31及びロータコア51は、複数枚の電磁鋼板等の薄板が軸方向に積層されてもよく、一体に形成されてもよい。
 図1に例示するステータコア31は、円環の外縁をなすバックヨーク部41が周方向に12分割された分割ステータコアで構成されている。ただし、バックヨーク部が全周にわたって一体に形成された環状ステータコアの構成であってもよい。ステータコア31は、ティース401が周方向に複数(本実施形態では12個)設けられている。図1には代表として第1実施形態のティース401の形状を記す。
 ティース401は、本体部42及び鍔部43を有する。本体部42は、バックヨーク部41から径内方向に延伸する。鍔部43は、本体部42の先端において本体部42から周方向両側に突出する。本体部42の先端面は、ロータ50の外周面に対向し、磁石55の磁束が流入する。周方向に隣接するティース401の本体部42同士の間の空間は、巻線35が収容されるスロットをなす。スロットの径方向範囲は、外側がバックヨーク部41により規制され、内側が鍔部43により規制される。スロットの数はティース401の数に等しく、本実施形態では12個である。
 ここで、ロータ50の磁石55の数(言い換えれば磁極数)をP、ステータ30のティース数(言い換えればスロット数)をSで表す。本実施形態では、磁石数Pが8であり、ティース数Sが12であるため、「8P12S」と表される。磁石数Pとティース数Sとの最小公倍数をkとすると、この構成での最小公倍数kは24となる。つまり、ロータ50が一回転する間に、いずれかの磁石55がいずれかのティース401の先端面の中心に正対するときが24回ある。そのため、無通電時のコギングトルクについて機械角24次の成分が顕著に現れる。
 従来、特許文献1(特開2002-136001号公報)には、コギングトルクの低減を目的として、ティース先端面に疑似スロットを設けた構成が開示されている。この従来技術では、疑似スロットにより無通電時のコギングトルクを低減可能である反面、通電時の磁束歪が悪化し、トルクリプルが大きくなるという問題がある。
 そこで本実施形態では、無通電時のコギングトルクを低減するとともに通電時のトルクリプルを低減可能な回転電機を提供することを目的とする。そのために、主にステータコア31のティースに特有の構成を設ける。以下、各実施形態のティース等の構成について順に説明する。各実施形態のティースの符号は、「40」に続く3桁目に実施形態の番号を付す。
 (第1実施形態)
 図2~図9Bを参照し、第1実施形態の構成及び作用効果について説明する。図2に示すように、12分割されたステータコア31は、バックヨーク部41の周方向両端の中心角が30°である。回転軸Oに直交する各断面において、ティース401は、回転軸Oを通る対称軸Vに対して対称に形成されている。三次元で表せば、ティース401は、回転軸Oを含む仮想平面に対して対称に形成されている。図3には、薄板積層構造で形成されたティース401の先端面を示す。
 本体部42の先端面には、バックヨーク41部側に凹む二つの凹溝441、442が形成されている。凹溝441、442は、特許文献1の疑似スロットに相当する。第1実施形態では、二つの凹溝441、442は、ティース401の対称軸Vに対して対称に配置され、且つ平行に形成されている。したがって、二つの凹溝441、442は、対称軸Vを挟んで配置されている。また、図3に示すように、第1実施形態の凹溝441、442は、回転軸方向の一端から他端にわたって、回転軸Oに平行に形成されている。なお、二つの凹溝441、442が周方向に隣接することは自明である。
 本体部42の先端面に沿って二つの凹溝441、442の間に形成される磁路を流入磁路46と定義する。ロータ50の磁石55がティース401の先端面の中心に正対したとき、磁石55の磁束が主に流入磁路46を通って本体部42へ流入する。また、対称軸Vから離れた側の凹溝441、442の角と鍔部43の周方向端部との間の磁路を外側流入磁路49と定義する。ロータ50の磁石55がティース401の先端面の中心に正対する位置、すなわちコギングトルクのピークとなる位置から少し外れた位置で、磁石55の磁束が外側流入磁路49を通って本体部42へ流入する。
 凹溝441、442の間に対応する位置には、流入磁路46を通る磁束を低減する一つの磁束低減部45が設けられている。この例では「凹溝441、442の間に対応する位置」とは、凹溝441、442をそれぞれバックヨーク部41側に延長した部位の周方向の間の位置である。第1実施形態では、一つの磁束低減部45は、ティース401の対称軸Vに対して対称に配置されている。したがって、一つの磁束低減部45は、中心が対称軸V上に位置するように配置されている。
 図4Aに示すように、第1実施形態の磁束低減部45は、板厚方向に貫通する「空孔」で形成されている。或いは図4Bに示す変形例のように、磁束低減部45は、かしめやつぶし等の工法で板厚を局所的に薄くした「窪み」で形成されてもよい。空孔や窪みは「空間」の用語で包括される。透磁率が小さい空気が収容された空間は、磁束低減部45として機能する。また、「その他の実施形態」の欄で後述するように、空孔や窪みに樹脂やアルミニウム等の非磁性材料を埋め込むことで磁束低減部45を構成してもよい。
 このように、本実施形態のモータ10は、特許文献1の従来技術と同様に凹溝441、442を有することで無通電時のコギングトルクが低減される。また、凹溝441、442により通電時に流入磁路46を通る磁束が歪むが、磁束低減部45が流入磁路46の磁気抵抗を増加させ、流入磁路46を通る磁束を低減することで、通電時のトルクリプルを低減することができる。
 第1実施形態のティース401は、二つの凹溝441、442と一つの磁束低減部45とを有することで、シンプルな構成を実現できる。また、凹溝441、442及び磁束低減部45は、ティース401の対称軸Vに対して対称に配置されているため、回転方向によるトルクリプル等の特性差がなくなる。さらに凹溝441、442は、ティース401の対称軸Vに平行に形成されているため、製造が容易である。
 図5、図6を参照し、凹溝441、442及び磁束低減部45のより好ましい形状等について説明する。図5に示すように、磁束低減部45は、ティース401の周方向における長さDaがティース401の径方向における長さDbよりも長い長円形状に形成されている。ティース401が磁気飽和しにくくする観点から、磁束低減部45の面積を最小とし、鉄製の本体部42をできるだけ大きく確保することが好ましい。
 また、ティース401の周方向における長さDaが長いほど、流入磁路46からバックヨーク部41に向かう磁束は、磁束低減部45の正面から両サイドへ迂回することとなり、磁気抵抗が大きくなる。したがって、ティース401の周方向における長さDaを径方向における長さDbよりも長くすることで、総磁束量の低下を最小に抑えつつ、流入磁路46を通る磁束をより制限し、通電時のトルクリプルをより低減することができる。
 また、二つの凹溝441、442の周方向の中心同士の、回転軸Oを中心とする角度を凹溝間角度θgと記す。ティース401の数が12であり、一つのティース401の中心角が30°である構成において、凹溝間角度θgは、「7°<θg<9°」となるように構成されている。これにより、トルクリプル低減効果が最も高くなる。
 図6に示すように、流入磁路46から磁束低減部45の両側を経由してバックヨーク部41に向かう二つの磁路を第1流出磁路471及び第2流出磁路472とする。第1流出磁路471の幅G1及び第1流出磁路471の幅G2の合計(G1+G2)は、流入磁路46の幅Fよりも小さくなるように構成されている。これにより、流入磁路46を通る磁束が、第1流出磁路471及び第2流出磁路472を通る磁束の合計以下に制限される。したがって、通電時のトルクリプルをより低減することができる。
 また、流入磁路46の幅Fは、外側流入磁路49の幅Eよりも短く形成されている。ここで、ティース401は対称軸Vに対して対称であるため、両方の外側流入磁路49の幅Eは等しい。磁束低減部45が有ることでロータ50の磁石55からステータ30への総磁束量が減るため、モータ出力が低下する。仮に流入磁路46の幅Fを外側流入磁路49の幅Eよりも長くすると、流入磁路46を通る磁束を減らすために磁束低減部45を大きくする必要があり、モータ出力が大きく低下する。しかし、流入磁路46の幅Fを外側流入磁路49の幅Eよりも短くすることで、磁束低減部45の効果が及ぶ部位が流入磁路46のみに集中する。これにより、モータ出力の低下を抑えつつ、通電時のトルクリプルを低減することができる。
 次に図7A~図9Bを参照し、第1実施形態の効果の検証結果について、二通りの比較例のティースと対比しつつ説明する。図7Aに示す比較例Aのティース409aは、本体部42の先端に凹溝が無い。図7Bに示す比較例Bのティース409bは、本体部42の先端に二つの凹溝441、442が有るが、磁束低減部が設けられていない。比較例Bは、特許文献1に開示された従来技術に相当する。
 図8に、モータ10の線電流(実効値)に対するトルクリプル特性を示す。横軸及び縦軸における0以外の数値の記載を省略する。電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータにおいて、線電流が境界値Ix未満の領域は低~中アシストトルク領域に相当し、線電流が境界値Ix以上の領域は高アシストトルク領域に相当する。第1実施形態及び比較例Aでは、線電流の増加に連れてトルクリプルはほぼ単調増加し、高アシストトルク領域で最大となる。一方、比較例Bでは、低~中アシストトルク領域内でトルクリプルが最大となる。比較例Bのトルクリプル最大値は、高アシストトルク領域での第1実施形態及び比較例Aのトルクリプル最大値よりも大きい。
 図9Aに、無通電時(図8のa部)のコギングトルクを示す。図9Bに、低~中アシストトルク領域での通電時(図8のb部)のトルクリプルを示す。縦軸における0以外の数値の記載を省略する。各波形の正のピークから負のピークまでの差分がコギングトルク及びトルクリプルである。12スロットの3相モータでは、電気角360°は機械角90°に相当する。したがって、横軸の一目盛である電気角6次成分の周期60°は、機械角24次成分の周期15°に相当する。
 図9Aに示すように、凹溝の無い比較例Aでは24次のコギングトルクが大きいのに対し、凹溝441、442を有する比較例Bでは24次のコギングトルクが低減されている。さらに第1実施形態では、比較例Bに比べても24次のコギングトルクが小さい。このように第1実施形態では、凹溝441、442の効果により無通電時のコギングトルクが低減することが検証された。
 図9Bに示すように、比較例Bでは、凹溝441、442により通電時に磁束歪が悪化するため、24次のトルクリプルが大きくなる。これに対し第1実施形態では、比較例Aと同程度に24次のコギングトルクが小さい。このように第1実施形態では、磁束低減部45の効果により通電時のトルクリプルが低減することが検証された。よって、第1実施形態の構成を電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに適用した場合、低~中アシストトルク領域でのトルクリプルを低減し、ドライバの操舵フィーリングを向上させることができる。
 ところで、特開2015-192592号公報に開示されたブラシレスモータは、ティースの内周先端部に空孔が形成されており、ティースの内周先端側ツバ部に切り欠きが形成されている。これにより、高アシストトルク、低コギングトルクおよび低トルク脈動、弱め界磁域を含む広い範囲の回転数領域におけるモータの低振動化を同時に達成できると記載されている。しかし、この構成では切り欠きがティース本体部の両側面にあるため、先端ツバ部に作用する径方向電磁吸引力に対する繰り返し疲労強度が低いという問題がある。それに対し第1実施形態では、本体部42の線端面に凹溝441、442が形成されているため、繰り返し疲労強度が高くなる。
 (第2実施形態)
 図10を参照し、第2実施形態のティース402の構成について説明する。第2実施形態では、二つの凹溝441、442はティース402の対称軸Vに平行ではなく、回転軸Oを中心として放射状に形成されている。図10ではわかりやすいように、凹溝441、442の深さを深く表す。これにより、図6における磁束低減部45及び流出磁路471、472の寸法を維持しつつ、流入磁路46の幅Fがより小さくなる。したがって、流入磁路46を通る磁束をより制限し、通電時のトルクリプルをより低減することができる。
 (第3実施形態)
 図11を参照し、第3実施形態のティース403の構成について説明する。第3実施形態では、ティース403の周方向における磁束低減部45の長さDaは、流入磁路46の幅Fよりも長く形成されている。これにより、流入磁路46からバックヨーク部41に向かう磁束は、破線矢印Φで示すように磁束低減部45の正面から両サイドへ大きく迂回するため、磁気抵抗が大きくなる。したがって、流入磁路46を通る磁束をより制限し、通電時のトルクリプルをより低減することができる。
 (第4実施形態)
 ティースに形成される凹溝の数、及び、設けられる磁束低減部の数は、第1~第3実施形態の構成に限らない。つまり、二つ以上の凹溝と、周方向に隣接する凹溝の間の流入磁路に対応してそれぞれ一つ以上設けられた合計二つ以上の磁束低減部と、をティースが有する構成としてもよい。図12を参照し、凹溝及び磁束低減部の数が異なる第4実施形態のティース404の構成について説明する。第4実施形態のティース404は、四つの凹溝445-448と四つの磁束低減部455-458とを有する。
 ティース404の先端部には、周方向の一方(図12の左方)から他方(同右方)に向かって順に、第1凹溝445、第2凹溝446、第3凹溝447及び第4凹溝448が、対称軸Vに対して対称に形成されている。対称軸Vに近い第2凹溝446及び第3凹溝447は相対的に溝が深く、対称軸Vから遠い第1凹溝445及び第4凹溝448は相対的に溝が浅い。
 第1磁束低減部455は、第1凹溝445と第2凹溝446との間の第1流入磁路461に対応して設けられている。第2磁束低減部456及び第3磁束低減部457は、第2凹溝446と第3凹溝447との間の第2流入磁路462に対応して設けられている。第4磁束低減部458は、第3凹溝447と第4凹溝448との間の第3流入磁路463に対応して設けられている。第2磁束低減部456及び第3磁束低減部457は相対的に大きな円形である。第1磁束低減部455及び第4磁束低減部458は相対的に小さな円形である。
 第1流入磁路461から第1磁束低減部455の両側を経由してバックヨーク部41に向かう磁路を第1流出磁路481及び第2流出磁路482とする。第2流入磁路462から第2磁束低減部456の第2凹溝446側、第2磁束低減部456と第3磁束低減部457との間、及び、第3磁束低減部457の第3凹溝447側を経由してバックヨーク部41に向かう磁路を、それぞれ、第3流出磁路483、第4流出磁路484及び第5流出磁路485とする。第3流入磁路463から第4磁束低減部458の両側を経由してバックヨーク部41に向かう磁路を第6流出磁路486及び第2流出磁路487とする。
 第1、第2、第3流入磁路461、462、463の幅をそれぞれF1、F2、F3とする。第1、第2、第3、第4、第5、第6、第7流出磁路481、482、483、484、485、486、487の幅をそれぞれH1、H2、H3、H4、H5、H6、H7とする。七つの流出磁路481-487の幅の合計(H1+H2+H3+H4+H5+H6+H7)が三つの流入磁路461-463の幅の合計(F1+F2+F3)よりも小さくなるように構成されている。その作用効果は、第1実施形態に準ずる。
 第4実施形態においても第2実施形態と同様に、四つの凹溝445-448が放射状に形成されてもよい。また、凹溝や磁束低減部の数や配置は、要求特性や製造しやすさ等に応じて適宜設定されてよい。
 [スキュー構造]
 図13~図18に、コギングトルクの低減を目的としてスキュー構造が採用された第5~第10実施形態を示す。一般にスキュー構造では、ステータ30とロータ50との間の磁気抵抗が回転軸方向の位置に応じて順にずれるように捩れた構造とする。第5~第10の各実施形態では、ティース全体、ティースの凹溝のみ、又は、ロータの磁石のうちいずれかがスキュー構造となっている。なお、スキュー構造の実施形態でのみ用いられるステータコア、ティース又はロータコアの符号については、参照符号としての記載を省略する。
 スキュー構造には、段スキュー構造とリニアスキュー構造とが含まれる。段スキュー構造では、磁気抵抗の周方向分布が段階的に所定方向にずれるように複数段が積層される。段スキュー構造の段数をn(n≧2)で表す。図13、図15、図17には、3段(n=3)の例を示す。また本明細書では、段スキュー構造のステータコアをなす一段の単位を「サブステータコア」と称する。同様に、段スキュー構造のロータコアをなす一段の単位を「サブロータコア」と称する。リニアスキュー構造では、回転軸方向の一端から他端にわたって、磁気抵抗の周方向分布が連続的にずれるように構成されている。なお、図13~図18では、図3、図4A、図4Bに示すような薄板積層構造の図示を省略する。
 各実施形態ではロータ50の磁石数Pが8、ティース数Sが12である8P12S構成を想定し、少なくとも、8と12との最小公倍数kに相当する24次成分のコギングトルクの低減を狙う。なお、24次成分以外に8次成分や12次成分の低減をあわせて狙ってもよい。一般化すると、各実施形態では、少なくとも、ロータ50の磁石数Pとティース数Sとの最小公倍数に相当するk次成分のコギングトルクの低減を目的とする。k次成分のコギングトルクを最小にする理論角度は、後述の計算式で算出される。
 ただし、スキュー角度を大きくするほど通電時の出力トルクが低下するという背反がある。そこで、各実施形態のスキュー角度は、k次成分のコギングトルクを最小にする理論角度を超えないように、「0より大きく、理論角度以下」の範囲になるように構成されることが好ましい。なお、「0より大きく」の部分は自明であるため、適宜省略する。各実施形態では、凹溝441、442による効果との組み合わせによりコギングトルクが適切に低減される。
 (第5、第6実施形態)
 図13、図14を参照し、第5、第6実施形態について説明する。第5、第6実施形態では、ステータコアのティース全体がスキュー構造で構成されている。図13に示す第5実施形態は複数段(例では3段)の段スキュー構造である。図14に示す第6実施形態はリニアスキュー構造である。
 第5実施形態のステータコア315は、凹溝441、442が回転軸Oに平行に延びたサブステータコア3151、3152、3153が3段積層されている。各段のティース405は対称軸Vに対して対称に形成されており、第1実施形態のティース401の構成に準ずる。各段のティース405における凹溝441、442の位置は一定であり、各段の位置に応じて、凹溝441、442の周方向位置が所定方向にずれている。
 隣接する段の凹溝441、442同士の、回転軸Oを中心とする凹溝段スキュー角度θsdは、下式の範囲となるように構成されている。図13には、二つの凹溝441、442の中間位置に角度指示線を記す。
  0<θsd≦360°÷k÷n
 24次成分のコギングトルクを低減対象とする場合の凹溝段スキュー角度θsdは、3段スキュー構造では5°以下となる。なお、2段スキュー構造では凹溝段スキュー角度θsdは、7.5°以下となる。
 第6実施形態のステータコア315は、ティース406の凹溝441、442が回転軸Oに対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっている。回転軸O側から視たティース406の先端面の形状は平行四辺形を呈している。
 この場合、三次元形状として、ティース406はある平面に対して対称でない。しかし、回転軸Oに直交する各断面において、ティース406は、回転軸Oを通る対称軸Vに対して対称に形成されている。また、凹溝441、442及び磁束低減部45は、回転軸Oに直交する各断面において、ティース406の対称軸Vに対して対称に配置されている。回転軸Oに直交する各断面において、第1実施形態と同様に、流入磁路46の幅Fは、外側流入磁路49の幅Eよりも短く形成されている。
 凹溝441、442の一端と他端との、回転軸Oを中心とする凹溝リニアスキュー角度θsLは、下式の範囲となるように構成されている。図14には、二つの凹溝441、442の中間位置に角度指示線を記す。
  0<θsL≦360°÷k
 24次成分のコギングトルクを低減対象とする場合の凹溝リニアスキュー角度θsLは15°以下となる。
 (第7、第8実施形態)
 図15、図16を参照し、第7、第8実施形態について説明する。第7、第8実施形態では、ステータコアのティース先端部の凹溝441、442のみがスキュー構造で構成されている。図15に示す第7実施形態は複数段(例では3段)の段スキュー構造である。図16に示す第8実施形態はリニアスキュー構造である。
 第7実施形態のステータコア317は、凹溝441、442が回転軸Oに平行に延びたサブステータコア3171、3172、3173が3段積層されている。各段のティース4071、4072、4073の全体は周方向の同じ位置に配置されており、各ティース4071、4072、4073における凹溝441、442の位置のみがずれている。よって、各段の位置に応じて、凹溝441、442の周方向位置が所定方向にずれている。
 隣接する段の凹溝441、442同士の、回転軸Oを中心とする凹溝段スキュー角度θsdは、第5実施形態と同様に、下式の範囲となるように構成されている。図15には、二つの凹溝441、442の中間位置に角度指示線を記す。
  0<θsd≦360°÷k÷n
 第8実施形態のステータコア318は、ティース408の凹溝441、442が回転軸Oに対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっている。ティース408自体はスキュー形状ではなく、回転軸O側から視て長方形を呈している。
 凹溝441、442の一端と他端との、回転軸Oを中心とする凹溝リニアスキュー角度θsLは、第6実施形態と同様に、下式の範囲となるように構成されている。図16には、二つの凹溝441、442の中間位置に角度指示線を記す。
  0<θsL≦360°÷k
 (第9、第10実施形態)
 ロータ50の外周面を径外側から視た部分展開図である図17、図18を参照し、第9、第10実施形態について説明する。第9、第10実施形態では、ロータコアの磁石がスキュー構造で構成されている。図17に示す第9実施形態は複数段(例では3段)の段スキュー構造である。図18に示す第10実施形態はリニアスキュー構造である。
 第9実施形態のロータコア519は、磁石55が回転軸Oに平行に延びたサブロータコア5191、5192、5193が3段積層されている。各段の位置に応じて、磁石55の周方向位置が所定方向にずれている。隣接する段の磁石55同士の、回転軸Oを中心とする磁石段スキュー角度ψsdは、下式の範囲となるように構成されている。段スキュー角度の例は、第5、第7実施形態と同様である。
  0<ψsd≦360°÷k÷n
 第10実施形態のロータコア520は、磁石55が回転軸Oに対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっている。磁石55の一端と他端との、回転軸Oを中心とする磁石リニアスキュー角度ψsLは、下式の範囲となるように構成されている。リニアスキュー角度の例は、第6、第8実施形態と同様である。
  0<ψsL≦360°÷k
 (その他の実施形態)
 (a)ロータ50の磁石数P、及び、ステータ30のティース数Sは、上記実施形態の8P12Sの他、4P6S、6P9S等の「2:3」の組み合わせでもよい。また、10P12S等、「2:3」以外の組み合わせでもよい。
 (b)磁束低減部45の形状は、長円や円に限らず、どのような形状であってもよい。また、磁束低減部45は、空孔や窪み等の空間に限らず、鉄に比べて透磁率が小さい非磁性材料で構成されてもよい。非磁性材料には、樹脂やアルミニウム等の非磁性金属が含まれる。例えば空孔や窪みに埋め込まれた非磁性材料で磁束低減部45を構成することで、流入磁路46を通る磁束低減の効果がより高まる。
 (c)本開示の回転電機は、電動パワーステアリング装置の操舵アシストモータに限らず、コギングトルクやトルクリプルの低減が求められる、どのような用途のモータ或いはジェネレータとして使用されてもよい。
 以上、本開示はこのような実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
 本開示は実施形態に準拠して記述された。しかしながら、本開示は当該実施形態および構造に限定されるものではない。本開示は、様々な変形例および均等の範囲内の変形をも包含する。また、様々な組み合わせおよび形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせおよび形態も本開示の範疇および思想範囲に入るものである。

Claims (16)

  1.  環状のステータコア(31)に巻線(35)が巻回されてなるステータ(30)と、円筒状のロータコア(51)の外周に沿って複数の磁石(55)が取り付けられてなり、前記巻線への通電により生成される回転磁界により前記ステータの内側で回転するロータ(50)とが回転軸(O)に対して同軸に配置された回転電機であって、
     前記ステータコアは、円環の外縁をなすバックヨーク部(41)から径内方向に延伸する本体部(42)、及び、前記本体部の先端において前記本体部から周方向両側に突出する鍔部(43)を有するティース(401-404)が周方向に複数設けられており、
     前記ティースは、
     前記本体部の先端面に、前記回転軸方向の一端から他端にわたって前記バックヨーク部側に凹む複数の凹溝(441、442、445-448)が形成されており、
     周方向に隣接する前記凹溝の間に対応する位置に、非磁性材料または空間で構成され、隣接する前記凹溝の間の磁路である流入磁路(46、461-463)を通る磁束を低減する一つ以上の磁束低減部(45、455-458)が設けられている回転電機。
  2.  前記ティースは、二つの前記凹溝(441、442)と一つの前記磁束低減部(45)とを有する請求項1に記載の回転電機。
  3.  前記磁束低減部は、前記ティースの周方向における長さが前記ティースの径方向における長さよりも長く形成されている請求項2に記載の回転電機。
  4.  前記ティースの周方向における前記磁束低減部の長さは、前記流入磁路(46)の幅よりも長く形成されている請求項3に記載の回転電機。
  5.  前記流入磁路から前記磁束低減部の両側を経由して前記バックヨーク部に向かう磁路である二つの流出磁路(471、472)の幅の合計が前記流入磁路の幅よりも小さくなるように構成されている請求項2~4のいずれか一項に記載の回転電機。
  6.  二つの前記凹溝の周方向の中心同士の、前記回転軸を中心とする角度である凹溝間角度をθgとすると、前記ティースの数が12のとき、前記凹溝間角度は、
     7°<θg<9°
    となるように構成されている請求項2~5のいずれか一項に記載の回転電機。
  7.  前記ティースは、二つ以上の前記凹溝(445-448)と、隣接する前記凹溝の間の前記流入磁路に対応してそれぞれ一つ以上設けられた合計二つ以上の前記磁束低減部(455-458)と、を有する請求項1に記載の回転電機。
  8.  前記ティースは、
     周方向に順に配置された第1凹溝(445)、第2凹溝(446)、第3凹溝(447)及び第4凹溝(448)の四つの前記凹溝と、
     前記第1凹溝と前記第2凹溝との間の前記流入磁路(461)に対応して設けられた第1磁束低減部(455)、前記第2凹溝と前記第3凹溝との間の前記流入磁路(462)に対応して設けられた第2磁束低減部(456)及び第3磁束低減部(457)、前記第3凹溝と前記第4凹溝との間の前記流入磁路(463)に対応して設けられた第4磁束低減部(458)の四つの前記磁束低減部と、を有し、
     各前記流入磁路から対応する前記磁束低減部の両側を経由して前記バックヨーク部に向かう磁路である複数の流出磁路(481-487)の幅の合計が複数の前記流入磁路の幅の合計よりも小さくなるように構成されている請求項7に記載の回転電機。
  9.  前記ティースは、前記回転軸に直交する各断面において、前記回転軸を通る対称軸(V)に対して対称に形成されており、
     複数の前記凹溝及び一つ以上の前記磁束低減部は、前記回転軸に直交する各断面において、前記ティースの対称軸に対して対称に配置されている請求項1~8のいずれか一項に記載の回転電機。
  10.  前記ティースは、二つの前記凹溝(441、442)を有し、
     前記回転軸に直交する各断面において、二つの前記凹溝の間の前記流入磁路(46)の幅は、前記対称軸から離れた側の前記凹溝の角と前記鍔部の周方向端部との間の磁路(49)の幅よりも短く形成されている請求項9に記載の回転電機。
  11.  前記ステータコアは、前記凹溝が前記回転軸に平行に延びたサブステータコアが複数段積層されており、各段の位置に応じて前記凹溝の周方向位置が所定方向にずれたn段(n≧2)の段スキュー構造となっており、
     前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をkとし、隣接する段の前記凹溝同士の、前記回転軸を中心とする凹溝段スキュー角度をθsdとすると、
      0<θsd≦360°÷k÷n
    となるように構成されている請求項1~10のいずれか一項に記載の回転電機。
  12.  前記ステータコアは、前記凹溝が前記回転軸に対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっており、
     前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をkとし、前記凹溝の一端と他端との、前記回転軸を中心とする凹溝リニアスキュー角度をθsLとすると、
      0<θsL≦360°÷k
    となるように構成されている請求項1~10のいずれか一項に記載の回転電機。
  13.  前記ロータコアは、前記磁石が前記回転軸に平行に延びたサブロータコアが複数段積層されており、各段の位置に応じて前記磁石の周方向位置が所定方向にずれたn段(n≧2)の段スキュー構造となっており、
     前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をkとし、隣接する段の前記磁石同士の、前記回転軸を中心とする磁石段スキュー角度をψsdとすると、
      0<ψsd≦360°÷k÷n
    となるように構成されている請求項1~10のいずれか一項に記載の回転電機。
  14.  前記ロータコアは、前記磁石が前記回転軸に対して一定の角度で傾斜しているリニアスキュー構造となっており、
     前記ロータの前記磁石の数と前記ティースの数との最小公倍数をkとし、前記磁石の一端と他端との、前記回転軸を中心とする磁石リニアスキュー角度をψsLとすると、
      0<ψsL≦360°÷k
    となるように構成されている請求項1~10のいずれか一項に記載の回転電機。
  15.  複数の前記凹溝は、前記回転軸を中心として放射状に形成されている請求項1~14のいずれか一項に記載の回転電機。
  16.  前記ティースは、前記回転軸に直交する各断面において前記回転軸を通る対称軸(V)に対して対称に形成されており、
     複数の前記凹溝は、前記ティースの対称軸に平行に形成されている請求項1~14のいずれか一項に記載の回転電機。
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