(57)【要約】【課題】コストや損失を増加させずに、回転電機のインダクタンスを増加させて回転速度範囲を拡大する。【解決手段】固定子は、複数のティース１１およびスロット２２を有し、ティース１１とスロット２２が周方向に交互に配置された固定子鉄心と、スロット２２に挿入されて固定子鉄心に分布巻で巻回されたコイル１０とを備える。固定子鉄心は、互いに隣接する２つのティース１１間を磁気的に結合する磁気結合部を形成するブリッジ１３が、スロット２２内に設けられている。【選択図】図３
2020028199.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のティースおよびスロットを有し、前記ティースと前記スロットが周方向に交互に配置された固定子鉄心と、
前記スロットに挿入されて前記固定子鉄心に分布巻で巻回されたコイルと、を備え、
前記固定子鉄心は、互いに隣接する２つの前記ティース間を磁気的に結合する磁気結合部が前記スロット内に設けられている固定子。
【請求項２】
請求項１に記載の固定子において、
前記固定子鉄心は、複数の電磁鋼板を積層して構成されており、
前記磁気結合部は、前記電磁鋼板を用いて形成されている固定子。
【請求項３】
請求項２に記載の固定子において、
前記磁気結合部は、前記ティースと一体に形成されている固定子。
【請求項４】
請求項３に記載の固定子において、
前記磁気結合部は、互いに隣接する２つの前記ティース間を前記電磁鋼板により前記スロット内で接続して形成されている固定子。
【請求項５】
請求項３に記載の固定子において、
前記磁気結合部は、互いに隣接する２つの前記ティースから前記電磁鋼板を前記スロット内にそれぞれ突出させることで形成された２つの凸部を互いに対向する位置に配置して形成されている固定子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固定子において、
前記コイルは、互いに電気的に独立した第１系統巻線および第２系統巻線を有し、
前記第１系統巻線および前記第２系統巻線は、前記スロット内において前記磁気結合部を間に挟んで径方向に沿って配置されている固定子。
【請求項７】
請求項６に記載の固定子において、
前記第１系統巻線および前記第２系統巻線は、複数の相にそれぞれ対応しており、
同一の相に対応する前記第１系統巻線および前記第２系統巻線は、互いに１スロット以上ずらして配置されている固定子。
【請求項８】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の固定子において、
前記コイルは、互いに電気的に独立した複数の系統巻線を有し、
前記複数の系統巻線は、前記スロット内において前記磁気結合部を間に挟んで径方向に沿って順次配置されている固定子。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の固定子において、
前記スロット内に配置されて前記ティースと前記コイルを絶縁する絶縁部材を備え、
前記絶縁部材は、前記スロットの内側側面に沿って配置されている固定子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の固定子と、
前記固定子に対して回転可能に軸支された回転子と、を備える回転電機。
【請求項１１】
請求項６または請求項７に記載の固定子と、
前記固定子に対して回転可能に軸支された回転子と、を備え、
前記第１系統巻線は、第１の駆動用電源に接続され、
前記第２系統巻線は、前記第１の駆動用電源とは異なる第２の駆動用電源に接続され、
前記第１の駆動用電源から前記第１系統巻線に通電される電流と、前記第２の駆動用電源から前記第２系統巻線に通電される電流との間に、所定の位相差が設けられている回転電機。
【請求項１２】
請求項８に記載の固定子と、
前記固定子に対して回転可能に軸支された回転子と、を備え、
前記複数の系統巻線の各々には、複数の駆動用電源がそれぞれ並列に接続されている回転電機。
【請求項１３】
請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記固定子の軸方向の長さは、前記回転子の軸方向の長さよりも大きい回転電機。
【請求項１４】
請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載の回転電機を備え、
前記回転電機を用いて、電動パワーステアリングまたは電動ブレーキを行う自動車用電動補機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固定子と、これを用いた回転電機および自動車用電動補機装置とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の自動運転の普及等に伴い、自動車に用いられる部品の電動化が推進されている。自動車に適用される回転電機においては、永久磁石の低価格化や高性能なインバータの普及等により、小型軽量化、高効率化を可能とする永久磁石式回転電機が主に採用されている。
【０００３】
自動車に搭載される回転電機には、人が搭乗して運転した時の乗り心地や安全性が要求される。中でも、パワーステアリング装置に用いられる回転電機に対しては、トルク脈動の低減とともに、通常時と緊急時のいずれにも対応できるように広範囲な回転速度範囲が求められる。その一方で、パワーステアリング装置には小型軽量が求められることから、強力な永久磁石を使用して回転電機内の磁束密度を高くする必要がある。しかしながら、回転電機内の磁束密度が高くなると、磁束飽和の影響でインダクタンスが低下する。回転電機においてインダクタンスが低下することで、上述した回転速度範囲が狭くなるという問題が発生する。
【０００４】
以上説明したような、回転電機のインダクタンスの低下による回転速度範囲の狭小化を解消するために、従来より様々な回転電機構造が検討されている。たとえば特許文献１には、回転軸を回転中心とする略円筒状の回転子と、前記回転軸方向に延びて前記回転子を取り囲むように形成された中空部を有する略円筒形状で、前記回転軸方向に延びる複数の固定子スロットが前記中空部の内周側面に形成されて、静止固定された固定子鉄心と、前記各固定子スロット内に配置されて前記回転軸方向に延びたコイルと、前記回転軸方向に延びて、前記固定子スロット内で前記コイルよりも前記固定子スロットの開口側に嵌め込まれるように取り付けられた非磁性スロット楔と、前記回転軸方向に延びて、前記固定子スロット内の前記コイルに接するように挿入されて磁性を備えたスペーサと、を有することを特徴とする回転電機が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−８１７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されたステータでは、スペーサとティースが別部材で構成されており、これらの接触部が磁気抵抗となるため、インダクタンスを効率的に増加させるには不十分である。また、部品点数や組立て工数の増加がコスト増加につながるとともに、スペーサに発生する渦電流により損失が増加し、効率低下や発熱等の問題が生じる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による固定子は、複数のティースおよびスロットを有し、前記ティースと前記スロットが周方向に交互に配置された固定子鉄心と、前記スロットに挿入されて前記固定子鉄心に分布巻で巻回されたコイルと、を備え、前記固定子鉄心は、互いに隣接する２つの前記ティース間を磁気的に結合する磁気結合部が前記スロット内に設けられている。
本発明による回転電機は、上記の固定子と、前記固定子に対して回転可能に軸支された回転子と、を備える。
本発明による自動車用電動補機装置は、上記の回転電機を備え、前記回転電機を用いて、電動パワーステアリングまたは電動ブレーキを行う。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、コストや損失を増加させずに、回転電機のインダクタンスを増加させて回転速度範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る回転電機の径方向断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る固定子の構造を説明する図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る固定子の構造を説明する図である。
【図５】本発明の第１、第２の実施形態に係る回転電機による回転速度範囲の拡大効果を説明する図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る回転電機と駆動用電源との接続を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る固定子の構造を説明する図である。
【図８】従来構造の固定子における各スロットの巻線配置を示す表である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る固定子における各スロットの巻線配置を示す表である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る回転電機によるトルク脈動の低減効果を説明する図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態における通電電流の位相差を説明する図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る回転電機によるトルク脈動の低減効果を説明する図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る固定子の構造の一例を説明する図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態に係る固定子の構造の他の一例を説明する図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態に係る固定子の構造のさらに別の一例を説明する図である。
【図１６】本発明の第７の実施形態に係る回転電機の軸方向端部の断面図である。
【図１７】本発明の第８の実施形態に係る固定子の構造の一例を説明する図である。
【図１８】本発明の第８の実施形態に係る固定子の構造の他の一例を説明する図である。
【図１９】本発明の第９の実施形態に係る回転電機と駆動用電源との接続を示す図である。
【図２０】本発明の第１０の実施形態に係る回転電機を用いて構成されたＥＰＳ装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る回転電機１００の軸方向断面図である。本実施形態の回転電機１００は、主にＥＰＳ（Electric Power Steering）装置に使用されるものであり、たとえば出力は数百〜数千W、回転速度は数千min-1程度である。回転電機１００は、固定子１と、固定子１内にエアギャップ１２を介して配置された回転子３と、回転子３の中心に配置されて回転子３を固定子１に対して回転可能に軸支するシャフト７と、固定子１を保持するフレーム８とを備える。回転子３は、複数の電磁鋼板を積層して構成された回転子鉄心４と、回転子鉄心４に設けられた磁石収納部９に収納された複数の永久磁石５とを備える。固定子１は、固定子鉄心２と、固定子鉄心２に分布巻で巻回されたコイル１０（図２参照）とを有する。なお、図１においては、コイル１０のうち固定子鉄心２から突出した部分であるコイルエンド部６が図示されている。
【００１２】
図２は、本発明の一実施形態に係る回転電機１００の径方向断面図である。図２では、１０極６０スロットの回転電機１００を例として示しているが、回転電機１００の極数およびスロット数は図２のものに限定されない。また、図２では、図１に示したフレーム８を除去して図示している。
【００１３】
図２に示すように、永久磁石５は回転子鉄心４において、極性を交互に変えて周方向に連続して並べられる。なお、図２では回転子鉄心４の内部に永久磁石５が埋め込まれた埋め込み磁石型の構造を例として示しているが、回転子鉄心４の外周面に永久磁石５を配置した表面磁石型の構造としても良い。また、図２では１つの磁極を構成する永久磁石５の個数を１個としているが、複数個の永久磁石５をＶ字型等に配置して１つの磁極を構成しても良い。さらに、図２では永久磁石５を平板形状としているが、例えばＤ字型や瓦型等のような他の形状としても良い。
【００１４】
図２に示すように、固定子鉄心２には、ティース１１とスロット２２が周方向に交互に配置されている。各スロット２２には、コイル１０が４つずつ径方向に沿って挿入されている。本実施形態では、内周側に配置された２つのコイル１０と、外周側に配置された２つのコイル１０とが互いに分離されるように、各スロット２２が内部で径方向に２つに分断されている。この点については、以下で詳しく説明する。
【００１５】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る固定子１の構造を説明する図である。図３は、図２に示した回転電機１００の径方向断面図における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示した図である。図３に示すように、スロット２２内には４つのコイル１０が径方向に沿って並べて配置されている。
【００１６】
本実施形態では、互いに隣接して配置されることでスロット２２を形成している２つのティース１１の間に、電磁鋼板を用いて形成されたブリッジ１３が設けられている。このブリッジ１３は、スロット２２内に径方向に配列された４つのコイル１０の中間位置、すなわち内周側から２番目の位置に配置されたコイル１０と３番目の位置に配置されたコイル１０との間に配置されている。これにより、内周側の２つのコイル１０と、外周側の２つのコイル１０とは、ブリッジ１３を間に挟んで、スロット２２内で径方向に分離して配置されている。以下では、図３において符号１４で示した内周側の２つのコイル１０を「第１系統巻線」と称し、符号１５で示した外周側の２つのコイル１０を「第２系統巻線」と称する。第１系統巻線１４および第２系統巻線１５は、互いに電気的に独立しており、分布巻でそれぞれ構成される。
【００１７】
本実施形態において、ブリッジ１３は、回転電機１００のインダクタンスを増加させるために設けられている。ブリッジ１３の幅を調整することで、インダクタンスも調整することができる。そのため、本実施形態の回転電機１００では、積極的にインダクタンスを利用することができる。
【００１８】
ここで、本実施形態におけるブリッジ１３の効果を理解するため、従来例の構造としてブリッジ１３が設けられていない場合を考える。この場合、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５では、インダクタンスに大きく差が生じることになる。すなわち、図３から分かるように、内周側に配置された第１系統巻線１４は周方向でティース１１に挟まれる位置関係となる一方で、外周側に配置された第２系統巻線１５はティース１１とコアバック１６にコの字型に囲まれる位置関係となる。インダクタンスは磁束の飽和度合いにより大きく変化し、ティース１１とコアバック１６では磁束が通過する量が異なるため、上記のような位置関係の違いから、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５ではインダクタンスが異なることになる。単純に解釈すると、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５では囲まれる電磁鋼板の量が異なるため、インダクタンスに差が生じることになる。一般的な回転電機の場合、コアバック１６よりもティース１１の方が磁束密度は高くなる。磁束密度が高くなると磁束飽和状態となり、これを磁気抵抗として言い換えれば、空気に近づくこととなる。インダクタンスは磁気抵抗に対して逆数の関係となるため、磁束が飽和状態になれば磁気抵抗が高くなり、インダクタンスは低下することになる。
【００１９】
以上説明したように、ブリッジ１３が設けられていない従来例の構造では、スロット２２内での位置関係と磁束飽和の影響により、第１系統巻線１４の方が第２系統巻線１５よりもインダクタンスが小さくなる。その結果、従来例の構造による回転電機では、回転速度範囲が狭まることとなる。
【００２０】
一方、本実施形態の回転電機１００では、図３に示したように、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５の間に、２つのティース１１間をスロット２２内で接続するブリッジ１３を設けている。これにより、第１系統巻線１４は、ティース１１とブリッジ１３によってコの字型に囲まれることになる。換言すると、第１系統巻線１４に隣接する２つのティース１１間がブリッジ１３によって磁気的に結合されることになる。したがって、上述した従来例の構造と比べて、第１系統巻線１４のインダクタンスを積極的に増加させることができ、その結果、回転速度範囲を拡大することができる。
【００２１】
なお、ブリッジ１３は、回転子鉄心４を構成する複数の電磁鋼板を用いて、ティース１１およびコアバック１６と一体に形成される。このように、回転子鉄心４に設けられるティース１１やコアバック１６とブリッジ１３とを一体形成することで、ブリッジ１３を設けない従来例の構造と比べて部品点数も組立て工数も増加しないため、コストの増加を抑制できる。また、ブリッジ１３は電磁鋼板の積層構造となるため、渦電流による損失も抑制できる。
【００２２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態で説明したブリッジ１３とは異なる構造により、従来と比較してインダクタンスを増加させた回転電機の例について説明する。なお、本実施形態における回転電機の基本的な構造は、第１の実施形態で図１および図２を参照して説明した回転電機１００と同様である。そのため、以下では図１、図２に示した各構成を用いて、本実施形態の回転電機の構造について説明する。
【００２３】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る固定子１の構造を説明する図であり、第１の実施形態で説明した図３と同様に、本実施形態の回転電機１００における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示している。図４に示すように、スロット２２内には４つのコイル１０が径方向に沿って並べて配置されている。
【００２４】
本実施形態では、互いに隣接して配置されることでスロット２２を形成している２つのティース１１に、電磁鋼板を用いて形成された凸部１８がそれぞれ設けられている。これら２つの凸部１８は、第１の実施形態で説明したブリッジ１３と同じ位置、すなわちスロット２２内に径方向に配列された４つのコイル１０の中間位置（内周側から２番目の位置に配置されたコイル１０と３番目の位置に配置されたコイル１０との間）において、スロット２２内にそれぞれ突出するように、互いに対向して配置されている。これにより、内周側の２つのコイル１０によって構成される第１系統巻線１４と、外周側の２つのコイル１０によって構成される第２系統巻線１５とは、２つの凸部１８およびその間に形成された空隙２３を間に挟んで、スロット２２内で径方向に分離して配置されている。
【００２５】
本実施形態において、凸部１８は、第１の実施形態におけるブリッジ１３と同様に、回転電機１００のインダクタンスを増加させるために設けられている。凸部１８の幅や空隙２３の長さを調整することで、インダクタンスも調整することができる。そのため、本実施形態の回転電機１００でも、第１の実施形態と同様に、積極的にインダクタンスを利用することができる。
【００２６】
第１の実施形態では、前述のようにブリッジ１３の幅を調整することで、インダクタンスを調整することができる。しかしながら、極端にブリッジ１３の幅が小さい場合には、加工による影響が無視できなくなる。例えば、固定子鉄心２は複数の電磁鋼板をプレス加工により成形して構成されるが、このプレス加工時に電磁鋼板に加工歪が生じることがある。電磁鋼板に加工歪が生じると磁気特性が悪化するため、ブリッジ１３の幅が適切な値に設定されていたとしても、加工歪の影響によって所定のインダクタンスを得ることができない場合が生じる。また、加工時に発生するブリッジ１３のねじれ等の変形により、スロット２２とコイル１０の間に位置ずれが生じたり、コイル１０を覆う不図示の絶縁部材に傷や破損等が生じたりし、その結果、コイル１０の破損や絶縁性能の低下につながる場合も考えられる。
【００２７】
一方、本実施形態によれば、上述したような製造上の問題からブリッジ１３を適切に形成できない場合であっても、図４に示すような凸部１８を第１系統巻線１４と第２系統巻線１５の間に設けることで、ブリッジ１３と同様の効果を得ることができる。すなわち、互いに隣接する２つのティース１１から電磁鋼板をスロット２２内にそれぞれ突出させることで形成された２つの凸部１８を互いに対向する位置に配置することで、２つの凸部１８とその間に形成された空隙２３により、２つのティース１１を磁気的に結合することができる。したがって、第１の実施形態で説明したように、従来例の構造と比べて、第１系統巻線１４のインダクタンスを積極的に増加させることができ、その結果、回転速度範囲を拡大することができる。なお、本実施形態における凸部１８の形状は、製造上可能な範囲内で、第１の実施形態を同様の効果が得られるように決定されることが好ましい。
【００２８】
ここで、第１、第２の実施形態に係る回転電機１００による回転速度範囲の拡大効果について、以下に図５を参照して説明する。図５は、従来例による回転電機および第１、第２の実施形態に係る回転電機１００における回転速度とトルクとの関係を示す図である。図５では、従来例の構造による回転電機の場合を符号５１で示し、第１の実施形態でブリッジ１３が設けられた場合を符号５２、５３で示し、第２の実施形態で凸部１８が設けられた場合を符号５４で示している。なお、符号５２の場合と符号５３の場合では、ブリッジ１３の径方向の幅が異なっている。また、図５では符号５１の場合を基準として、各場合での回転速度とトルクの関係を規格化して示している。
【００２９】
図５に示すように、第１の実施形態ではブリッジ１３（幅1.0p.u）を設けることで、従来構造の回転電機に対して回転速度範囲が約1.3倍に拡大している。さらにブリッジ１３の幅を２倍（2.0p.u）にすると、従来構造の回転電機に対して回転速度範囲が約1.9倍まで拡大するが、その一方でトルクは大きく低下する。このため、第１の実施形態では、トルクと回転速度範囲を考慮して、ブリッジ１３の幅を適切に設定する必要がある。なお、第１の実施形態では、例えば電磁鋼板の厚さ以上となるように、ブリッジ１３の幅を設定することが好ましい。また、第２の実施形態では、凸部１８を設けることにより、トルクと回転速度範囲の両方について、第１の実施形態でブリッジ１３の幅を1.0p.uとした場合とほぼ同様の特性が得られている。
【００３０】
以上説明したように、第１、第２の実施形態では、固定子鉄心２においてティース１１間を接続するブリッジ１３を設けるか、またはティース１１間に互いに近接するように凸部１８を設けることで、ティース１１同士を磁気的に結合し、その結果、回転電機１００のインダクタンスを増加させて回転速度範囲を拡大できることを示した。
【００３１】
以上説明した第１および第２の実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。
【００３２】
（１）固定子１は、複数のティース１１およびスロット２２を有し、ティース１１とスロット２２が周方向に交互に配置された固定子鉄心２と、スロット２２に挿入されて固定子鉄心２に分布巻で巻回されたコイル１０とを備える。固定子鉄心２は、互いに隣接する２つのティース１１間を磁気的に結合する磁気結合部を形成するブリッジ１３または凸部１８が、スロット２２内に設けられている。このようにしたので、コストや損失を増加させずに、回転電機１００のインダクタンスを増加させて回転速度範囲を拡大することができる。
【００３３】
（２）固定子鉄心２は、複数の電磁鋼板を積層して構成されている。磁気結合部としてのブリッジ１３および凸部１８は、この電磁鋼板を用いて形成されている。このようにしたので、２つのティース１１間を磁気的に結合する磁気結合部を、通常の製造工程において容易に形成することができる。
【００３４】
（３）磁気結合部としてのブリッジ１３および凸部１８は、ティース１１と一体に形成されている。このようにしたので、ティース１１と同一の製造工程により磁気結合部を形成できるため、製造コストの上昇を抑制することができる。
【００３５】
（４）第１の実施形態では、磁気結合部は、互いに隣接する２つのティース１１間を電磁鋼板によりスロット２２内で接続してブリッジ１３とすることで形成されている。このようにしたので、２つのティース１１間を磁気的に結合可能な磁気結合部を容易に形成することができる。
【００３６】
（５）第２の実施形態では、磁気結合部は、互いに隣接する２つのティース１１から電磁鋼板をスロット２２内にそれぞれ突出させることで形成された２つの凸部１８を互いに対向する位置に配置して形成されている。このようにしたので、製造上の問題からブリッジ１３を適切に形成するのが困難な場合であっても、２つのティース１１間を磁気的に結合可能な磁気結合部を形成することができる。
【００３７】
（６）コイル１０は、互いに電気的に独立した第１系統巻線１４および第２系統巻線１５を有する。第１系統巻線１４および第２系統巻線１５は、スロット２２内において磁気結合部であるブリッジ１３または凸部１８を間に挟んで径方向に沿って配置されている。このようにしたので、第１系統巻線１４および第２系統巻線１５のインダクタンスを同等として、回転電機１００の制御性や応答性を向上することができる。
【００３８】
なお、第１および第２の実施形態では、１０極６０スロットの回転電機１００を例として説明したが、他の極数やスロット数でも上述した効果を得られる。また、第１の実施形態におけるブリッジ１３の径方向厚さや、第２の実施形態における凸部１８の径方向厚さおよび周方向長さは、電磁鋼板の板厚以上の寸法とすることが好ましい。このようにすれば、ブリッジ１３や凸部１８をプレス加工によって精度良く成形することができる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態では、回転電機１００を駆動する電源の接続例について説明する。なお、本実施形態における回転電機１００の構造は、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した構造のうち、任意のものを採用することができる。
【００４０】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る回転電機１００と駆動用電源１９との接続を示す図である。図６に示すように、本実施形態では、第１、第２の実施形態で説明した第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とは、回転電機１００内でそれぞれ独立してＹ結線されている。第１系統巻線１４および第２系統巻線１５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応している。図６では、第１系統巻線１４の各相をＵ１、Ｖ１、Ｗ１と表し、第２系統巻線１５の各相をＵ２、Ｖ２、Ｗ２と表している。
【００４１】
駆動用電源１９は、互いに電気的に独立した２つの駆動用電源、すなわち第１駆動用電源２０および第２駆動用電源２１を有している。第１系統巻線１４は第１駆動用電源２０に、第２系統巻線１５は第２駆動用電源２１に、それぞれ独立して接続されている。
【００４２】
本実施形態では、回転電機１００と駆動用電源１９との接続を図６に示すような接続形態とすることで、どちらか一方の系統巻線や駆動用電源に故障や不具合が発生した場合でも、回転電機１００の駆動を継続することができる。このため、ＥＰＳ装置として使用した場合の冗長性を向上することができる。ただし、回転電機１００の最大出力は正常時の５０％となる。
【００４３】
また、第１、第２の実施形態で説明したように、回転電機１００において第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とは、ブリッジ１３や凸部１８が間に挟まれることで互いに径方向に離間して配置されている。そのため、上記のように電気的に独立した第１駆動用電源２０および第２駆動用電源２１を第１系統巻線１４と第２系統巻線１５にそれぞれ接続した際の絶縁性を向上させることができる。
【００４４】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２の実施形態で説明した第１系統巻線１４と第２系統巻線１５をスロット単位で互いにずらして配置することで、これらに流れる電流間に電気的な位相差を持たせる例を説明する。なお、本実施形態における回転電機１００の構造は、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した構造のうち、任意のものを採用することができる。また、本実施形態における回転電機１００を駆動する電源は、第３の実施形態で説明したように、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とで互いに独立した電源としてもよいし、あるいは共通の電源としてもよい。
【００４５】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る固定子１の構造を説明する図であり、第１の実施形態で説明した図３と同様の構造を示している。本実施形態における巻線配置を説明するため、図７では、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５を構成するコイル１０の各々を内周側から順番に、導体１〜導体４として示している。以下では、各スロット２２を区別するため、各スロット２２に１から６０までのスロット番号を反時計回りで順に付して、各スロット２２の導体１〜導体４がそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相のどの相に対応するかを説明する。なお、図７では、スロット番号１のスロット２２を例として示している。
【００４６】
上記の前提に基づき、本実施形態における巻線配置について、図８および図９を参照して説明する。図８は、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５の間に位相差を設けない従来構造の固定子における各スロット２２の巻線配置を示す表である。図９は、本発明の第４の実施形態に係る固定子１における各スロット２２の巻線配置を示す表である。図８および図９では、第３の実施形態で説明した図６と同様に、第１系統巻線１４の各相をＵ１、Ｖ１、Ｗ１と表し、第２系統巻線１５の各相をＵ２、Ｖ２、Ｗ２と表している。また、各相に付された「＋」、「−」の符号は、当該相における電流の向きを表している。なお、図８および図９では、スロット番号１から１２までの巻線配置を示しており、スロット番号１３以降を省略しているが、スロット番号１３以降では、スロット番号１〜１２と同じ巻線配置がスロット番号６０まで繰り返される。すなわち、スロット番号１〜６０では、同一の巻線配置が５回繰り返されることになる。
【００４７】
図８に示したように、従来構造の固定子では、第１系統巻線１４に相当する導体１および導体２と、第２系統巻線１５に相当する導体３および導体４とが、各スロット２２において同一の相にそれぞれ対応する巻線配置となっている。一方、図９に示したように、本実施形態の固定子１では、同一の相に対応する第１系統巻線１４および第２系統巻線１５が、各スロットで互いに１スロットずつずれた巻線配置となっている。本実施形態では、このような巻線配置にすることで、第１系統巻線１４および第２系統巻線１５に位相差なしの電流をそれぞれ流したときに、各スロット２２内を流れる電流間に３０度の位相差が生じるようにしている。
【００４８】
ここで、本実施形態に係る回転電機１００によるトルク脈動の低減効果について、以下に図１０を参照して説明する。図１０は、上述した従来構造の固定子および本発明の第４の実施形態に係る固定子１をそれぞれ用いた回転電機における電気角とトルクの関係を示す図である。図１０では、図８に示した従来構造の固定子における巻線配置の場合を符号６１で示し、図９に示した本実施形態の固定子１における巻線配置の場合を符号６２で示している。なお、図１０では符号６１に示した場合の平均トルクを基準として、各場合での電気角ごとのトルクを規格化して示している。
【００４９】
図１０から、従来構造の固定子を用いた場合と比べて、本実施形態の固定子１を用いた場合の方が、電気角に対するトルク脈動が小さいことが分かる。すなわち、図９で示したように、同一の相に対応する第１系統巻線１４および第２系統巻線１５を各スロット２２で互いに１スロットずつずらした巻線配置とすることで、第１系統巻線１４が発生するトルクと第２系統巻線１５が発生するトルクとの間に、電気的に３０度の位相差を生じさせることができる。これにより、電気角で６０度の周期ごとに繰り返すトルクリプルを打ち消すことができる。その結果、回転電機１００をＥＰＳ装置に用いた場合に、非常に良い性能を発揮することができる。
【００５０】
なお、上記第４の実施形態では、同一の相に対応する第１系統巻線１４および第２系統巻線１５を各スロット２２で互いに１スロットずつずらした巻線配置とした例を説明したが、これらを互いにずらす量は１スロットに限らない。すなわち、同一の相に対応する第１系統巻線１４および第２系統巻線１５を互いに１スロット以上ずらして配置することで、上述したようにトルクリプルを打ち消すことが可能である。
【００５１】
（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２の実施形態で説明した第１系統巻線１４と第２系統巻線１５に位相差がある電流をそれぞれ流すことで、第４の実施形態で説明したのと同様にトルク脈動を低減する例を説明する。本実施形態における回転電機１００を駆動する電源には、第３の実施形態で説明した第１駆動用電源２０および第２駆動用電源２１が用いられる。すなわち、図６に示したように、第１系統巻線１４は第１駆動用電源２０に接続され、第２系統巻線１５は第１駆動用電源２０とは異なる第２駆動用電源２１に接続されている。なお、本実施形態における回転電機１００の構造は、第１の実施形態および第２の実施形態で説明した構造のうち、任意のものを採用することができる。また、本実施形態における第１系統巻線１４および第２系統巻線１５の巻線配置は、第４の実施形態で説明したように、同一の相に対応するものが互いに１スロット以上ずらして配置されたものであってもよいし、あるいは従来のようにずらさずに配置されたものであってもよい。
【００５２】
図１１は、本発明の第５の実施形態における通電電流の位相差を説明する図である。本実施形態では、図１１に示すように、第１駆動用電源２０から第１系統巻線１４に通電される電流と、第２駆動用電源２１から第２系統巻線１５に通電される電流との間に、電気角で所定の位相差角Δβが設けられている。
【００５３】
ここで、本実施形態に係る回転電機１００によるトルク脈動の低減効果について、以下に図１２を参照して説明する。図１２は、従来の通電方法および本発明の第５の実施形態に係る通電方法をそれぞれ用いた回転電機における電気角とトルクの関係を示す図である。図１２では、従来のように通電電流に位相差を設けない場合を符号６３で示し、図１１に示したように通電電流に位相差角Δβ（Δβ＝３０°）を設けた場合を符号６４で示している。なお、図１２では符号６３に示した場合の平均トルクを基準として、各場合での電気角ごとのトルクを規格化して示している。
【００５４】
図１２から、従来のように通電電流に位相差を設けない場合と比べて、本実施形態にように通電電流に位相差角Δβを設けた場合の方が、電気角に対するトルク脈動が大幅に低減していることが分かる。すなわち、第２系統巻線１５に通電される電流は、第１系統巻線１４に通電される電流に対して３０°の位相差があるため、第１系統巻線１４に発生するトルク脈動の高調波成分のうち６次成分と１８次成分をキャンセルすることができ、これによりトルク脈動を低減できる。その結果、第４の実施形態と同様に、回転電機１００をＥＰＳ装置に用いた場合に、非常に良い性能を発揮することができる。
【００５５】
（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。本実施形態では、第１、第２の実施形態で説明した固定子１の構造において、ティース１１とコイル１０を絶縁する絶縁部材をスロット２２内に配置した例を説明する。
【００５６】
図１３は、本発明の第６の実施形態に係る固定子１の構造の一例を説明する図であり、第１の実施形態で説明した図３と同様に、本実施形態の回転電機１００における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示している。図１３に示す例では、第１の実施形態で説明したブリッジ１３がスロット２２内に設けられることで、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とが、ブリッジ１３を間に挟んで、スロット２２内で径方向に分離して配置されている。また、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５の周囲には、スロット２２の内側側面に沿って絶縁部材１７が配置されている。これにより、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とをスロット２２内で互いに絶縁することが可能となる。また、絶縁部材１７を第１系統巻線１４、第２系統巻線１５およびスロット２２に密着させることで、第１系統巻線１４や第２系統巻線１５に加わる振動や衝撃を軽減し、これらを傷や破損から保護することができる。
【００５７】
図１４は、本発明の第６の実施形態に係る固定子１の構造の他の一例を説明する図であり、第２の実施形態で説明した図４と同様に、本実施形態の回転電機１００における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示している。図１４に示す例では、第２の実施形態で説明した２つの凸部１８がスロット２２内に設けられることで、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とが、凸部１８およびその間に形成された空隙２３を間に挟んで、スロット２２内で径方向に分離して配置されている。また、図１３の例と同様に、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５の周囲には、スロット２２の内側側面に沿って絶縁部材１７が配置されている。これにより、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とをスロット２２内で互いに絶縁することが可能となる。また、絶縁部材１７を第１系統巻線１４、第２系統巻線１５およびスロット２２に密着させることで、第１系統巻線１４や第２系統巻線１５に加わる振動や衝撃を軽減し、これらを傷や破損から保護することができる。
【００５８】
図１５は、本発明の第６の実施形態に係る固定子１の構造のさらに別の一例を説明する図であり、第２の実施形態で説明した図４と同様に、本実施形態の回転電機１００における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示している。図１５に示す例では、図１４と同様に、第２の実施形態で説明した２つの凸部１８がスロット２２内に設けられることで、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とが、凸部１８およびその間に形成された空隙２３を間に挟んで、スロット２２内で径方向に分離して配置されている。また、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５の周囲には、スロット２２の内側側面に沿って絶縁部材１７が配置されている。ただし、図１５では図１４とは異なり、第１系統巻線１４の周囲に配置される絶縁部材１７と、第２系統巻線１５の周囲に配置される絶縁部材１７とが、分離されずに凸部１８の頂面を介して相互に接続されている。このようにしても、図１４の例と同様に、第１系統巻線１４と第２系統巻線１５とをスロット２２内で互いに絶縁することが可能となる。また、絶縁部材１７を第１系統巻線１４、第２系統巻線１５およびスロット２２に密着させることで、第１系統巻線１４や第２系統巻線１５に加わる振動や衝撃を軽減し、これらを傷や破損から保護することができる。さらに、図１５の例では、第１系統巻線１４の周囲に配置される絶縁部材１７と、第２系統巻線１５の周囲に配置される絶縁部材１７とを、１つの部材で構成することができるため、部品点数および工数の削減が可能である。ここで、図１４の構造と図１５の構造のどちらを採用するかは、コストや生産性に合わせて適宜、選択することが好ましい。
【００５９】
なお、本実施形態に係る構造では、図１３〜図１５いずれの場合でも、スロット２２内だけでなく、固定子鉄心２から突出したコイルエンド部６において、容易に絶縁部材１７を配置することができる。これにより、本実施形態に係る固定子１を用いた回転電機１００では、絶縁性能と絶縁部材１７を取り付ける際の組立性をともに向上できる。
【００６０】
（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態について説明する。本実施形態では、回転電機１００における固定子１と回転子３の位置関係の例について説明する。なお、本実施形態における回転電機１００の構造は、第１〜第６の各実施形態で説明した構造のうち、任意のものを採用することができる。
【００６１】
図１６は、本発明の第７の実施形態に係る回転電機１００の軸方向端部の断面図である。図１６では、回転電機１００における軸方向端部のうち、シャフト７の中心線７Ａに対して右半分の部分のみを図示しており、左半分の部分は図示を省略している。
【００６２】
図１６に示すように、本実施形態に係る回転電機１００では、固定子１（固定子鉄心２）の軸方向の長さLstを、回転子３（回転子鉄心４）の軸方向の長さLmagよりも大きくしている。すなわち、軸方向に沿って回転子鉄心４内に配置された永久磁石５に対して、固定子鉄心２の長さが軸方向においてより長くなるようにしている。これにより、固定子鉄心２の磁束飽和を緩和してインダクタンスを増加し、回転速度範囲をさらに拡大している。また、永久磁石５の長さを変えずに固定子鉄心２のみを軸方向に長くしているため、永久磁石５を増加させる必要がない。そのため、コストを抑制しつつ、回転速度範囲を拡大することができる。
【００６３】
（第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態について説明する。本実施形態では、互いに電気的に独立したｎ個の系統巻線を固定子１に設けた場合のスロット２２の構造について説明する。なお、本実施形態における回転電機の基本的な構造は、第１の実施形態で図１および図２を参照して説明した回転電機１００と同様である。
【００６４】
図１７は、本発明の第８の実施形態に係る固定子１の構造の一例を説明する図であり、第１の実施形態で説明した図３と同様に、本実施形態の回転電機１００における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示している。図１７に示す例では、第１の実施形態で説明したブリッジ１３が径方向に沿ってスロット２２内にｎ−１個設けられることで、第１系統巻線１４および第２系統巻線１５を含むｎ個の系統巻線が、ブリッジ１３を間に挟んで、スロット２２内でそれぞれ径方向に分離して配置されている。これにより、回転電機１００において互いに電気的に独立したｎ個の系統巻線を固定子１に設けた場合でも、第１の実施形態と同様に、インダクタンスを増加して回転速度範囲を拡大することができる。また、ティース１１の剛性を高くし、変形や破損を防止することもできる。すなわち、図１７のように系統巻線の数を径方向に増やすと、それに応じてティース１１も径方向に伸びることになる。ティース１１が伸びると、コアバック１６を支点にしてティース１１が撓みやすくなるため、回転電機１００の駆動時に生じる振動や衝撃等で破損しやすくなる。さらに、ティース１１が伸びるとティース１１の剛性が低くなるため、固定子１の組立時には、スロット２２内にコイル１０を挿入する際の応力等によって変形する可能性がある。しかし、本実施形態ではスロット２２内にｎ−１個のブリッジ１３が設けられていることで、ブリッジ１３がない場合と比べてティース１１の剛性が高くなるため、変形や破損を低減することができる。
【００６５】
図１８は、本発明の第８の実施形態に係る固定子１の構造の他の一例を説明する図であり、第２の実施形態で説明した図４と同様に、本実施形態の回転電機１００における固定子鉄心２のうち１スロット分、すなわち1/60の部分を拡大して示している。図１８に示す例では、第２の実施形態で説明した互いに対向する一対の凸部１８が径方向に沿ってスロット２２内にｎ−１組設けられることで、第１系統巻線１４および第２系統巻線１５を含むｎ個の系統巻線が、凸部１８およびその間に形成された空隙２３を間に挟んで、スロット２２内でそれぞれ径方向に分離して配置されている。これにより、回転電機１００において互いに電気的に独立したｎ個の系統巻線を固定子１に設けた場合でも、第２の実施形態と同様に、インダクタンスを増加して回転速度範囲を拡大することができる。
【００６６】
（第９の実施形態）
次に、本発明の第９の実施形態について説明する。本実施形態では、回転電機１００を駆動する電源に関して、第３の実施形態で説明したのとは異なる接続例について説明する。なお、本実施形態における回転電機１００の構造は、第１〜第８の各実施形態で説明した構造のうち、任意のものを採用することができる。
【００６７】
図１９は、本発明の第９の実施形態に係る回転電機１００と駆動用電源１９との接続を示す図である。本実施形態における回転電機１００の巻線構成は、第３の実施形態で説明したものと同様である。すなわち、図１９に示すように、本実施形態においても、第１系統巻線１４および第２系統巻線１５は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応しており、回転電機１００内でそれぞれ独立してＹ結線されている。図１９では、第１系統巻線１４の各相をＵ１、Ｖ１、Ｗ１と表し、第２系統巻線１５の各相をＵ２、Ｖ２、Ｗ２と表している。
【００６８】
本実施形態では、第１系統巻線１４および第２系統巻線１５に対して、複数の駆動用電源１９がそれぞれ並列に接続されている。これにより、いずれかの駆動用電源１９に故障が発生した場合でも、その駆動用電源１９のみを回転電機１００から切り離すことで、回転電機１００の駆動を止めずに継続できるようにしている。このとき、回転電機１００では切り離した駆動用電源１９の分だけトルクが減少する。よって、本実施形態の構成によれば、駆動用電源１９の数が増えれば増えるだけ、１台当たりの故障に対するトルク低下の影響を小さくできる。または、短時間であれば、残りの駆動用電源１９の電流を増加させることで、故障前と同等のトルクを出すことも可能である。
【００６９】
また、第４の実施形態や第８の実施形態で説明したように、本実施形態においても、各系統巻線を径方向に分離して回転電機１００の全周に設けることができる。このようにすれば、駆動用電源１９の故障時に発生するトルクの低下分を周方向に分散できるため、集中巻で系統巻線を構成した場合と比べて、振動の抑制効果を得られる。
【００７０】
（第１０の実施形態）
次に、本発明の第１０の実施形態について説明する。本実施形態では、回転電機１００をＥＰＳ装置に適用した場合の構成を説明する。なお、本実施形態における回転電機１００の構造は、第１〜第９の各実施形態で説明した構造のうち、任意のものを採用することができる。
【００７１】
図２０は、本発明の第１０の実施形態に係る回転電機１００を用いて構成されたＥＰＳ装置の構成図である。このＥＰＳ装置は、ステアリングコラム付近にアシストトルクを発生させるための回転電機１００を備えていることから、コラムアシスト式と呼ばれる。図２０に示すＥＰＳ装置は、回転電機１００を用いて電動パワーステアリングを行う装置であり、回転電機１００と、回転電機１００を通電するための駆動用電源１９とを有する。さらに加えて、ステアリングホイールSTと、トルクセンサTSと、車載用バッテリーBAと、ギア機構GEと、ピニオンギアPNと、一つまたは複数のロッドROと、一つまたは複数のジョイントJTと、ラックギアRCGと、ラックケースRCと、ダストブーツDB1およびDB2と、タイヤWH1およびWH2と、タイロッドTR1およびTR2とを備えている。
【００７２】
トルクセンサTSは、運転者のステアリング操作に応じたステアリングホイールSTの回転駆動力を検出する。駆動用電源１９は、トルクセンサTSの出力に基づいて回転電機１００に流れる電流を制御することで、回転電機１００が発生するアシストトルクを制御する。車載用バッテリーBAは、駆動用電源１９および回転電機１００への電力供給を行う。ギア機構GEは、回転電機１００の回転駆動力を歯車によって減速し、所望のトルクを出力する。ピニオンギアPNは、ロッドROおよびジョイントJTによりギア機構GEと機械的に接続されており、ギア機構GEで発生したトルクを伝達する。ラックギアRCGは、ピニオンギアPNにより伝達されたトルクを水平方向の力に変換し、タイロッドTR1、TR2を介して、タイヤWH1、WH2にそれぞれ伝達する。なお、ラックギアRCGはラックケースRCに覆われており、ラックケースRCには内部に塵などが入らないように、ダストブーツDB1、DB2が設けられている。
【００７３】
図２０に示したコラムアシスト式ＥＰＳ装置の動作を以下に説明する。運転者がステアリングホイールSTを回転させると、その回転駆動力をトルクセンサTSが検出し、検出信号を駆動用電源１９に出力する。このトルクセンサTSからの検出信号に基づいて、駆動用電源１９が所望のアシストトルクを発生させるための通電パターンを演算して、回転電機１００に指令を出す。回転電機１００は、駆動用電源１９の指令に基づいて通電を行い、アシストトルクを発生させる。このアシストトルクによる回転駆動力は、回転電機１００に接続されたギア機構GEにより減速され、ロッドROとジョイントJTを介して、ピニオンギアPNに伝達される。ピニオンギアPNはラックギアRCGと噛み合っているため、ピニオンギアPNに伝達された回転駆動力は、車の進行方向に対して直角の水平方向の推力に変換される。こうして発生した水平方向の推力は、タイロッドTR1およびTR2を介して、タイヤWH1およびWH2の舵取りを行う。
【００７４】
なお、上記ではコラムアシスト式ＥＰＳ装置の例を説明したが、他の方式のＥＰＳ装置とすることも可能である。例えば、ピニオンギアPN付近にアシストトルクを発生させるための回転電機１００が設けられるピニオンアシスト式ＥＰＳ装置や、ラックギアRCGに対してアシストトルクを発生させるための回転電機１００が設けられるラックアシスト式ＥＰＳ装置などにおいても、本発明を適用可能である。また、ＥＰＳ装置以外の自動車用電動補機装置、たとえば電動ブレーキを行う自動車用電動補機装置に適用することも可能である。さらには、本発明に係る回転電機１００の採用は自動車分野に限定されず、コストや損失を増加させずに回転速度範囲を拡大することが好ましい産業用の回転電機全般にも適用可能である。
【００７５】
以上説明した実施形態や変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００７６】
１  固定子
２  固定子鉄心
３  回転子
４  回転子鉄心
５  永久磁石
６  コイルエンド部
７  シャフト
８  フレーム
９  磁石収納部
１０  コイル
１１  ティース
１２  エアギャップ
１３  ブリッジ
１４  第１系統巻線
１５  第２系統巻線
１６  コアバック
１７  絶縁部材
１８  凸部
１９  駆動用電源
２０  第１駆動用電源
２１  第２駆動用電源
２２  スロット
１００  回転電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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