(57)【要約】【課題】  コギングトルクを低減可能な回転子を提供する。【解決手段】  モータは、コンシクエントポール型の回転子４０を備える。回転子４０は、永久磁石４８が埋め込まれた磁石極４５と、各磁石極４５間に位置する軟磁性極４３とを有している。永久磁石４８の厚みｄ（＝ｄ0／ｐ）および軟磁性極４３の周方向幅ｗ（＝ｗ0／ｐ）は、  ３６０≦  （ｗ02／ｄ0）  ≦４００  の関係を満たすように設定されている。これにより、軟磁性極４３と固定子３０との間の空隙の磁束分布の周方向への広がりが抑制され、周方向において磁束密度差が生じにくくなる。したがって、固定子３０と回転子４０との間の空隙の磁束の空間次数成分は、主成分以外の低次成分が極めて小さく抑えられる。そのため、コギングトルクを低減することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機（１０）の回転子（４０）であって、
回転軸（４１）と、
前記回転軸に固定されているロータボス（４２）と、
前記ロータボスから放射状に突き出している複数の軟磁性極（４３）と、
前記軟磁性極との間に周方向の隙間（５５）を隔てるように前記ロータボスから放射状に突き出している複数の磁石極（４５）と、
前記磁石極内に埋め込まれている永久磁石（４８）と、
を備え、
前記永久磁石の径方向厚み（ｄ）と前記軟磁性極の数（ｐ）との積をｄ0とし、前記軟磁性極の周方向幅（ｗ）と前記軟磁性極の数との積をｗ0とすると、
３６０  ≦  （ｗ02／ｄ0）≦  ４００
の関係が成り立つことを特徴とする回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の回転子と、
前記回転子に対して径方向外側で放射状に延びている複数のティース（３２）と、
各前記ティースのうち径方向外側の端部同士をつないでいる筒状のヨーク（３１）と、
各前記ティース間に区画形成されたスロットに設けられている巻線（３５）と、
を備え、
前記隙間のうち径方向外側の周方向幅をＧとし、前記ティースのうち径方向内側の周方向幅をＢとすると、
Ｇ  ＜  Ｂ
の関係が成り立つことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
前記巻線の巻き方は全節巻きであることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記軟磁性極の数をｐとし、前記ティースのうち周方向の幅が最も小さい最細部（３３）の周方向幅をｗ1とすると、
ｄ0／ｐ  ≧  ２ｗ1
の関係が成り立つことを特徴とする請求項２または３に記載の回転電機。
【請求項５】
前記回転子と前記ティースとの間の空隙のうち径方向の長さが最も小さい最短空隙部（５６）の径方向長さをδ１とすると、
２ｗ1  ≦  ｄ0／ｐ  ≦  ２ｗ1＋δ１
の関係が成り立つことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
【請求項６】
前記ロータボス、前記軟磁性極および前記磁石極は、軸方向に積層された複数の板部材（５０）から構成されており、
前記磁石極は、前記永久磁石を収容する収容孔（４６）を有し、
前記板部材の厚みをｔとし、前記永久磁石の周方向幅をｗ2とし、前記収容孔の周方向幅をｗ3とすると、
ｗ3  ≦  ｗ2＋２ｔ
の関係が成り立つことを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項７】
前記磁石極の周方向幅をｗ4とすると、
ｗ4  ＝  ｗ0／ｐ＋２ｔ＋２β
ｔ  ≦  β  ≦  ２ｔ
の関係が成り立つことを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
【請求項８】
前記磁石極は、径方向外側へ凸となる第１凸曲面（４７）を有し、
前記軟磁性極は、径方向外側へ凸となる第２凸曲面（４４）を有し、
前記第１凸曲面と前記第２凸曲面とは、曲率半径が同じであることを特徴とする請求項２〜７のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項９】
前記第１凸曲面と前記ティースとの間の空隙、および、前記第２凸曲面と前記ティースとの間の空隙は、周方向の中央が最も小さく、周方向の端に行くほど大きいことを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
【請求項１０】
前記回転子の外径は６０［ｍｍ］以下であることを特徴とする請求項２〜９のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項１１】
車両用電動パワーステアリングに用いられることを特徴とする請求項１０に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転子、および、これを用いた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
希土類磁石を用いた電動機や発電機は、小型化が容易であるので急速に普及している。一方、希土類磁石は、資源の偏在性から調達リスクが顕在化しており、使用量の削減が求められている。
例えば特許文献１には、周方向に交互に並ぶ第１突極および第２突極のうち、第１突極のみに永久磁石が埋め込まれて成るコンシクエントポール型の回転子が提案されている。この回転子は、第２突極が永久磁石の内側の極性に磁化されて回転子表面に磁束を誘導することによってＮ極とＳ極とを交互に形成することを利用した回転子である。これにより、希土類磁石の使用個数が半減し、コスト低減と調達リスクの軽減とを達成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５２５３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、コンシクエントポール型の回転子を用いた回転電機の研究事例は少なく、磁気回路の適切な設計ルールなどは未知の部分が多い。特に、各部寸法とコギングトルクとの関係はよく知られていない。そのため、コギングトルクを十分に低減することができないという問題があった。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コギングトルクを低減可能な回転子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、上記目的を達成するために実験を重ねた結果、以下の新たな知見を得た。
固定子と回転子との間の空隙の磁束分布、すなわち磁石極から発せられる磁束および軟磁性極に帰結する磁束の分布は、固定子のティースの数と同数の空間次数成分（以下、主成分と記載する）よりも低次の成分が小さくなると、主成分の高周波変動に支配される。高周波変動に支配されると変動振幅が小さくなり、回転子に作用する吸引力の変動が小さくなってコギングトルクが小さくなる。
【０００６】
磁束の偏分布に起因して発生するコギングトルクの大きさは、磁束の空間次数、すなわち時間変化となる周波数に相関する。つまり、周波数が小さいほどその次数成分の振幅は大きくなる。したがって、磁束の主成分を極力大きくし、主成分以外の低次成分を除去することができれば理想的である。例えば固定子のティースの数が１２個である場合、コギングトルクは１２次成分が主成分となり、ティースの数が４８個である場合、コギングトルクは４８次成分が主成分となる。このとき、１２次成分や４８次成分以外の低次成分を極力含まないように設計すればよい。励振エネルギーが一定であるならば、周波数が高いほど振動の振幅が小さくなる。
【０００７】
本発明者は、上記知見に基づき本発明を完成させた。本発明は、回転軸と、ロータボスと、ロータボスから放射状に突き出している複数の軟磁性極と、軟磁性極との間に周方向の隙間を隔てるようにロータボスから放射状に突き出している複数の磁石極と、磁石極内に埋め込まれている永久磁石と、を備える回転電機の回転子であって、永久磁石の径方向厚みと軟磁性極の数との積をｄ0とし、軟磁性極の周方向幅と軟磁性極の数との積をｗ0とすると、
３６０  ≦  （ｗ02／ｄ0）  ≦  ４００
の関係が成り立つことを特徴とする。
【０００８】
永久磁石の径方向厚みが厚いと、起磁力が大きくなり、磁気抵抗が同じ磁気装荷機であればより多くの有効磁束を固定子側に供給することができる。その一方で、軟磁性極に戻ってくる磁束量も増えるため、軟磁性極と固定子との間の空隙の磁束分布が周方向へ広がりやすくなる。そのため、軟磁性極の周方向幅が適切でない場合、周方向において磁束密度差が生じやすく、主成分以外の低次成分が発生しやすい。
これに対し、上記関係が成り立つように永久磁石の径方向厚みと軟磁性極の周方向幅とが設定された本発明によれば、固定子と回転子との間の空隙の磁束の空間次数成分は、主成分以外の低次成分が極めて小さく抑えられる。これにより、コギングトルクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態によるモータの縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図２の回転子の横断面図である。
【図４】図２の矢印ＩＶ部分の拡大図である。
【図５】図２の矢印Ｖ部分の拡大図である。
【図６】評価値を変更したときのコギングトルクの変化を示す図である。
【図７】評価値が異なる３つの実施形態について、非励磁状態で回転子を回転させたときのトルクの時間変動を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による回転子が適用された「回転電機」としてのモータを図１に示す。先ず、モータ１０の概略構成を図１〜図３に基づき説明する。モータ１０は、３相ブラシレスモータであり、ハウジング２０、固定子３０および回転子４０を備えている。
【００１１】
ハウジング２０は、筒部２１と、筒部２１の一端部を塞ぐ第１側部２２と、筒部２１の他端部を塞ぐ第２側部２３とを形成している。第１側部２２および第２側部の中央部には、軸受２４が取り付けられている。
【００１２】
固定子３０は、モータ１０の電機子であって、ヨーク３１、複数のティース３２、および、複数の巻線３５を有している。ヨーク３１は、円筒状に形成され、ハウジング２０の筒部２１の内壁に例えば圧入により固定されている。各ティース３２は放射状に延びており、ヨーク３１と一体に形成されている。ヨーク３１は、各ティース３２のうち径方向外側の端部同士をつないでいる。巻線３５は、各ティース３２間に区画形成されたスロット３６に設けられている。巻線３５は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線から構成されている。図２には巻線３５の図示を省略している。
【００１３】
回転子４０は、モータ１０の永久磁石界磁であって、回転軸４１、ロータボス４２、複数の軟磁性極４３、複数の磁石極４５、および、複数の永久磁石４８を有している。回転軸４１は、軸受２４により回転可能に支持されている。ロータボス４２は、円筒状に形成され、回転軸４１に例えば圧入により固定されている。軟磁性極４３は、ロータボス４２から径方向外側に突き出す突極である。各軟磁性極４３は、周方向に間隔を空けて設けられている。磁石極４５は、ロータボス４２から径方向外側に突き出す突極である。各磁石極４５は、各軟磁性極４３間に１つずつ設けられている。
【００１４】
永久磁石４８は、希土類磁石から構成され、磁石極４５内に埋め込まれている。具体的には、磁石極４５は、軸方向に貫通する収容孔４６を有しており、永久磁石４８は、収容孔４６内に挿入されている。各永久磁石４８は、全て同じ極性が外側に位置するように設けられている。磁石極４５のうち径方向外側の外壁は、永久磁石４８の径方向外側の極性と同じ極性に磁化されている。一方、軟磁性極４３のうち径方向外側の外壁は、永久磁石４８の径方向外側の極性とは反対の極性に磁化されている。回転子４０は、軟磁性極４３と磁石極４５とが周方向に交互に並ぶように設けられたコンシクエントポール型の回転子である。
【００１５】
次に、モータ１０の特徴構成を図１〜図７に基づき説明する。
モータ１０は、回転子４０の外径が６０［ｍｍ］以下であって、車両用電動パワーステアリングの動力源として用いられる。
回転子４０の鉄心を構成するロータボス４２、軟磁性極４３および磁石極４５は、軸方向に積層された複数の板部材５０から構成されている。軟磁性極４３の数は、磁石極４５の数と同じであり、本実施形態では５個である。したがって回転子４０の磁極数は１０個である。
【００１６】
磁石極４５は、軟磁性極４３との間に周方向の隙間５５を隔てるように設けられている。隙間５５は、径方向外側に行くほど周方向幅が大きくなるように形成されている。
永久磁石４８は、厚さ方向が径方向と一致する板状である。
固定子３０のティース３２は、ヨーク３１から径内方向へ延びる脚部３３と、脚部３３の径方向内側の端部に位置する鍔部３４とを形成している。ティース３２は、周方向に等角度間隔に６０個設けられている。スロット３６の数は６０個である。巻線３５の巻き方は全節巻きである。
【００１７】
１つの永久磁石４８の径方向厚みをｄ［ｍｍ］とし、１つの軟磁性極４３の周方向幅をｗ［ｍｍ］とし、軟磁性極４３の数をｐとすると、一般的には式（１）、式（２）の関係を概ね維持しつつ最適設計が行われる。
ｄ  ∝  １／ｐ・・・（１）
ｗ  ∝  １／ｐ・・・（２）
【００１８】
そのため、永久磁石４８の厚みｄを式（３）のように定義し、軟磁性極４３の周方向幅ｗを式（４）のように定義した場合、式（５）のように表される評価値Ｅ［ｍｍ］を指標にして無負荷時のコギングトルクを評価すると比較的相関の高い関係が得られる。
ｄ  ＝  ｄ0／ｐ・・・（３）
ｗ  ＝  ｗ0／ｐ・・・（４）
Ｅ  ＝  ｗ02／ｄ0・・・（５）
【００１９】
図６には、評価値Ｅを種々変更した際のコギングトルクの変化の様子を示す。図６に示すように、コギングトルクを所望値（０．０１［Ｎｍ］）以下にするには、式（６）の関係を満たせばよいことが分かる。本実施形態では、評価値Ｅは３８０に設定されている。
３６０  ≦  （ｗ02／ｄ0）≦  ４００・・・（６）
【００２０】
図７は、評価値Ｅが３８０［ｍｍ］である本実施形態、評価値Ｅが３６５［ｍｍ］である第１比較形態、および、評価値Ｅが３５０［ｍｍ］である第２比較形態について、非励磁状態で回転子４０を回転させたときのトルクの時間変動を示す。コギングトルクが小さい仕様の波形には、低周波のうねり成分が少ない特徴が現れている。このように、適切な関係で磁気装荷を設計すると、空隙の磁束が固定子３０のティース３２に均等に配分され、磁束の偏分布に起因する低周波成分が低減される。この関係は、車両用電動パワーステアリングに用いられる、回転子４０の直径が６０［ｍｍ］以下の小型のブラシレスモータにおいて顕著に現れる。
【００２１】
以下、各部寸法に関する他の特徴を記載する。
隙間５５のうち径方向外側の周方向幅をＧとし、ティース３２のうち径方向内側の周方向幅をＢとすると、式（７）の関係が成り立つ。
Ｇ  ＜  Ｂ・・・（７）
【００２２】
ティース３２のうち周方向の幅が最も小さい最細部である脚部３３の周方向幅をｗ1とすると、式（８）の関係が成り立つ。
ｄ0／ｐ  ≧  ２ｗ1・・・（８）
【００２３】
回転子４０とティース３２との間の空隙のうち最も径方向の長さが小さい最短空隙部５６の径方向長さをδ１とすると、式（９）の関係が成り立つ。
２ｗ1  ≦  ｄ0／ｐ  ≦  ２ｗ1＋δ１・・・（９）
【００２４】
板部材５０の厚みをｔとし、永久磁石４８の周方向幅をｗ2とし、磁石極４５の収容孔４６の周方向幅をｗ3とすると、式（１０）が成り立つ。
ｗ3  ≦  ｗ2＋２ｔ・・・（１０）
【００２５】
磁石極４５の周方向幅をｗ4とすると、式（１１）および式（１２）の関係が成り立つ。
ｗ4  ＝  ｗ0／ｐ＋２ｔ＋２β・・・（１１）
ｔ  ≦  β  ≦  ２ｔ・・・（１２）
【００２６】
磁石極４５は、径方向外側へ凸となる第１凸曲面４７を有している。軟磁性極４３は、径方向外側へ凸となる第２凸曲面４４を有している。第１凸曲面４７の曲率半径Ｒ１は、第２凸曲面４４の曲率半径Ｒ２と同じである。
第１凸曲面４７とティース３２との間の空隙、および、第２凸曲面４４とティース３２との間の空隙は、周方向の中央が最も小さく、周方向の端に行くほど大きい。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態は、コンシクエントポール型の回転子４０を備えるモータ１０であって、式（６）の関係が成り立つように永久磁石４８の厚みｄと軟磁性極４３の周方向幅ｗとが設定されていることを特徴とする。このように設計することによって、軟磁性極４３と固定子３０との間の空隙の磁束分布の周方向への広がりが抑制され、周方向において磁束密度差が生じにくくなる。したがって、固定子３０と回転子４０との間の空隙の磁束の空間次数成分は、主成分以外の低次成分が極めて小さく抑えられる。そのため、コギングトルクを低減することができる。
【００２８】
また、本実施形態では、磁石極４５と軟磁性極４３との間に隙間５５が設けられている。隙間５５の周方向幅Ｇは、固定子３０のティース３２の先端部である鍔部３４の周方向幅Ｂよりも小さい。このように設計することによって、磁石極４５から発せられた磁束が軟磁性極４３に向かう際、ティース３２が両極間を跨ぐ形で磁束の流れが形成されるので、空隙中の磁束の時間変化を滑らかになる。そのため、コギングトルクをさらに低減することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、固定子３０の巻線方式は全節巻きである。したがって、短節巻きと比べてティース３２の周方向幅が小さくなるので、コギングトルクのうち主要次数成分の割合が増加し、コギングトルクを低減することができる。固定子の巻線方式が短節巻きであって特に集中巻きである場合、ティースの周方向幅が大きくなり、必然的に固定子のティースの数が減ることから、コギングトルクの主要次数成分が減少し、コギングトルクが増大してしまう。
【００３０】
また、本実施形態では、ティース３２の脚部３３の周方向幅ｗ1および永久磁石４８の厚みｄは、式（８）を満たすように設定されている。また、永久磁石４８の厚みｄ、および回転子４０とティース３２との最短空隙部５６の径方向長さδ１は、式（９）を満たすように設定されている。このように設計することによって、磁気回路中の無負荷時の磁気抵抗に十分拮抗できるだけの磁気装荷を備えながら、希土類磁石の使用量を必要最小限に抑えることができる。このように定量化すると経済的な設計を容易に行うことができる。
【００３１】
また、本実施形態では、回転子４０の鉄心を構成するロータボス４２、軟磁性極４３および磁石極４５は、軸方向に積層された複数の板部材５０から構成されている。また、軟磁性極４３の周方向幅ｗ、永久磁石４８の周方向幅ｗ2、磁石極４５の収容孔４６の周方向幅ｗ3、磁石極４５の周方向幅ｗ4、および、板部材５０の厚みｔは、式（１０）、式（１１）および式（１２）を満たすように設定されている。このように設計することによって、永久磁石４８を収容するスロット３６の脇部３７を通り永久磁石４８を短絡させる磁束の量を効果的に低減するとともに、板部材５０の収容孔４６をプレス成形により容易に形成することができる。
【００３２】
また、本実施形態では、磁石極４５の第１凸曲面４７の曲率半径Ｒ１は、軟磁性極４３の第２凸曲面４４の曲率半径Ｒ２と同じである。また、第１凸曲面４７とティース３２との間の空隙、および、第２凸曲面４４とティース３２との間の空隙は、周方向の中央が最も小さく、周方向の端に行くほど大きい。このように設計することによって、上述の効果を際立たせ、一層効果的にコギングトルクを低減することが可能となる。
また、本実施形態では、モータ１０は、回転子４０の外径が６０［ｍｍ］以下であって、車両用電動パワーステアリングの動力源として用いられる。したがって、小型かつ高出力であって良好なステアリングフィールのシステムを構築可能である。
【００３３】
（他の実施形態）
本発明の他の実施形態では、永久磁石は、周方向や軸方向に分割されていてもよい。すなわち、１つの収容孔に複数の永久磁石が収容されてもよい。
本発明の他の実施形態では、モータの磁極数は、１０個以外であってもよい。また、スロット数は６０個以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、モータは、車両用電動パワーステアリング以外の装置に設けられてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０・・・モータ（回転電機）
４０・・・回転子
４１・・・回転軸
４２・・・ロータボス
４３・・・軟磁性極
４５・・・磁石極
４８・・・永久磁石
５５・・・隙間
【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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