(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、分布巻方式の１０極６０スロットの埋め込み永久磁石式回転電機において、コギングトルクを十分低減可能な磁極形状を有し、磁極形状の変化によるコギングトルクへの影響が小さい、回転子構造を提供することである。【解決手段】  内周側の回転子と、外周側の固定子と、からなる回転電機であって、前記回転子は、電磁鋼板を積層した回転子コアと、該回転子コアの磁石取付孔に挿入した永久磁石と、回転軸となるシャフトと、からなり、前記回転子コアの外周側には、両端に突起を有した磁極が複数形成されており、各磁極の外周面となる磁極円弧は、全体が前記永久磁石より外周側にあり、ある磁極の突起と隣接する磁極の突起の距離Ｌｐが、前記端部と前記固定子の距離Ｌｅよりも大きいことを特徴とする回転電機。【選択図】  図３Ａ
2018110502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内周側の回転子と、外周側の固定子と、からなる回転電機であって、
前記回転子は、電磁鋼板を積層した回転子コアと、該回転子コアの磁石取付孔に挿入した永久磁石と、回転軸となるシャフトと、からなり、
前記回転子コアの外周側には、両端に突起を有した磁極が複数形成されており、
各磁極の外周面となる磁極円弧は、全体が前記永久磁石より外周側にあり、
ある磁極の突起と隣接する磁極の突起の距離Ｌｐが、前記突起と前記固定子の距離Ｌｅよりも大きいことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において、
前記磁石取付孔の角部磁極材厚さＴｐｅが、前記磁石取付孔の側壁厚さＷｓｗより大きいことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回転電機において、
各磁極の磁極円弧は、前記突起と前記固定子の距離Ｌｅが、前記磁極円弧の磁極中央と前記固定子の距離Ｌｇの２．５倍以内となる円弧形状であることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の回転電機において、
該回転電機は、１０極６０スロット分布巻、または、１０極１２スロット集中巻の構成であることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の回転電機を、
電動パワーステアリングまたは、電動ブレーキに用いたことを特徴とする自動車用電動補機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式回転電機、および、これを用いた電動パワーステアリング装置や電動ブレーキ装置などの自動車用電動補機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の自動車は、油圧システムから電動システムへの移行や、ハイブリッド自動車、電気自動車の市場拡大の流れを受けて、電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳ）装置や電動ブレーキ装置の装着率が急速に増大している。また、アイドリングストップやブレーキなどの運転操作の一部を自動化した車の普及を背景に、運転快適性の向上とともに車室内の静音化が進展している。
【０００３】
車室内の振動、騒音に繋がる電気モータ起因の加振源としては、電気モータのトルク変動成分（コギングトルクやトルク脈動）と、電気モータの固定子と回転子の間に発生する電磁加振力がある。これらのうちトルク変動成分による振動エネルギーは、電気モータの出力軸を介して車室内へ伝搬し、また、電磁加振力による振動エネルギーは、ＥＰＳ装置の機械部品などを介して車室内へ伝搬することで、車室内の振動、騒音に繋がっている。
【０００４】
例えば、ＥＰＳ装置では、電気モータがステアリングホイール操作をアシストすることから、運転者はステアリングホイールを介して、電気モータのトルク脈動を手に感じることになる。これを抑制するため、ＥＰＳ装置に用いる電気モータでは、コギングトルクをアシストトルクの１／１０００未満に、トルク脈動をアシストトルクの１／１００未満に抑制することが求められる。また、電磁加振力の空間モードの最小次数が２以下でないことがよいとされる。
【０００５】
ここで、電気モータの価格は、磁石、巻線などの材料費用と、製造費用からなるが、磁石価格の比率が特に高いため、磁石コストの抑制が強く求められており、また、製造の容易化や、必要なマンパワー、製造装置の軽減も望まれている。このため、自動車用電動補機システムに用いられる電気モータも、これらの要望を満たす必要がある。
【０００６】
ＥＰＳ装置に用いられる電気モータとしては、通常、小型化および信頼性の点から永久磁石式のブラシレスモータ（以下、「永久磁石式回転電機」と称する）が使用される。永久磁石式回転電機には、大別して、出力密度で優れる表面磁石式と、磁石コストで優れる埋め込み磁石式があるが、何れの場合も、磁石コスト低減の点から、極数個に分離された磁石が使用されることが多い。
【０００７】
例えば、埋め込み磁石式では、通常、磁石取付孔を持つ一体ロータコアを用いる。一体ロータコアはロータ磁極の製造精度が高いため、ロータ磁極と固定子間のエアギャップ長を短縮できる。磁石取付孔のブリッジ部からの磁束漏れにより、表面磁石式に対してトルクが低下するが、エアギャップ長の短縮によりトルク低下を抑制できる。また、矩形の磁石を使用できるため、磁石コストを低減できる。さらに、表面磁石式で必要となる磁石カバーが不要になることも利点である。
【０００８】
しかしながら、均一な磁化を持つ矩形磁石を周方向に配置するとき、一体ロータコアの外周を円環状にすると、磁束分布が正弦波状でなくなり、トルク脈動とコギングトルクを十分低減できないという問題が発生する。このため、磁極の外周側端部を突出させるなどの、磁極形状の工夫により、コギングトルクを低減する必要が生じる。表面磁石式を採用する場合でも同様の問題が発生するため、同じく磁石の幅・外周曲率を工夫してコギングトルクを低減する必要が生じる。
【０００９】
巻線方式、極数、スロット数、磁石方式が違うと磁束分布が違ってくるため、それぞれに異なる磁極形状の工夫が必要となる。また、ＥＰＳ装置では正逆の両方に回転するため、磁極周囲の磁束分布を両回転方向に対称にする必要があり、対称な形状の磁極が用いられる。
【００１０】
磁極形状を対称にしたブラシレスモータの先行技術として、特許文献１に記載されたものがある。例えば、特許文献１の要約書には、『ブラシレスモータは、ロータ内にマグネットが収容固定されたＩＰＭ型の構成となっている。ロータは、鋼板材を積層してなるロータコアを有する。ロータコアは、コア本体部と、マグネット取付孔と、突極部を有し、マグネット取付孔には、空隙部を形成しつつマグネットが収容固定されている。隣接する突極部間には凹部が設けられている。各突極部の周方向両端には、突極部の外周面を延長させる形で鍔部が突設されている。鍔部は、凹部の外周側に設けられており、対向する鍔部の間には隙間が形成されている。』と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１４−２３９６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以下では、埋め込み磁石式を使用した特許文献１における、コギングトルクの低減余地を検討する。
【００１３】
特許文献１の図２等には、ロータ（回転子）において、磁石を収容した取付孔の周方向両端に非磁性部となる空隙部を形成し、磁極部の周方向端部に鍔部を形成されたロータコアが示されている。また、同文献の図４から明らかなように、ロータの回転半径に比べて、磁極円弧の半径（以下「磁極円弧半径」と称する）が小さく、磁極の端は磁石の外周側よりも内周側に位置する形状になっている。この磁極円弧半径の小ささは、同文献の図２等に示される６極９スロット集中巻のような２：３系列の永久磁石式回転電機に特有な形状であり、磁極円弧半径を小さくすることで、コギングトルクを安定化させることができるが、これだけではコギングトルクを十分低減できないため、さらに工夫が必要となる。
【００１４】
また、特許文献１の段落００１１等には、トルク低下抑制のため鍔部の長さ（凹部）を開口幅の１／２未満とする構成が示されており、同文献の図５等には、鍔部の長さを板厚以上としてコギングトルクを２０％低減できる効果が示されている。特許文献１で、鍔部を長くしたことによる効果が低減率２０％と小さいのは、磁極円弧半径が小さいため、固定子と磁極端部との距離が大きくなる結果、両者間に存在する磁束が少なくなり、磁束分布への鍔部の長さの影響が小さいためと考えられる。また、磁極円弧半径が小さく、固定子と鍔部先端との距離が、隣接する鍔部先端同士の距離より大きいため、固定子と磁極端部の間に存在する磁束が少なくなることが、２０％という小さな低減率の理由と考えられる。
【００１５】
このように、特許文献１が開示する構成には、コギングトルクの低減に関して改良の余地が多く残されている。また、巻線方式、極数、スロット数、磁石方式が異なる場合は、磁束分布が違ってくるため、異なる磁極形状の特有の工夫が必要となる。さらに、磁極の外周形状、磁石取付孔の位置と形状が、製造誤差などによって所定値から変化したとき、コギングトルクへの影響が小さい方が製造誤差低減のための労力が軽減されるため、磁極形状の誤差がコギングトルクへ与える影響が小さいことが望ましい。
【００１６】
本発明は、このような背景に鑑みてなされたのであり、コギングトルクを十分に低減でき、磁極形状の誤差がコギングトルクへ与える影響を小さくできる永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記の課題は、内周側の回転子と、外周側の固定子と、からなる回転電機であって、前記回転子は、電磁鋼板を積層した回転子コアと、該回転子コアの磁石取付孔に挿入した永久磁石と、回転軸となるシャフトと、からなり、前記回転子コアの外周側には、両端に突起を有した磁極が複数形成されており、各磁極の外周面となる磁極円弧は、全体が前記永久磁石より外周側にあり、ある磁極の突起と隣接する磁極の突起の距離Ｌｐが、前記端部と前記固定子の距離Ｌｅよりも大きい回転電機により解決できる。
【００１８】
その他の解決手段は、実施形態において適宜記載する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の永久磁石式回転電機によれば、コギングトルクを十分低減でき、磁極形状の変化がコギングトルクへ与える影響が小さく、製造誤差低減のための労力を軽減することができる。
【００２０】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１の永久磁石式回転電機の回転面内断面図
【図２】実施例１の回転子の断面図
【図３Ａ】実施例１の回転子断面の磁極付近の拡大図
【図３Ｂ】実施例１の突起端部付近の拡大図
【図４】実施例２の回転子断面の磁極付近の拡大図
【図５】実施例３の回転子断面の磁極付近の拡大図
【図６】比較例の回転子断面の磁極付近の拡大図
【図７】コギングトルクと突起長さおよび角部厚さとの関係を説明する図
【図８】実施例１と比較例の効果の比較説明図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施例について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【実施例１】
【００２３】
図１から図３Ｂを用いて、実施例１の永久磁石式回転電機１の構成を説明する。図１は、本実施例の永久磁石式回転電機１の回転面内断面図であり、図２は、図１の回転子２０の断面図、図３Ａは、図１の点線で囲ったＸ部の拡大図、図３Ｂは、突起端部付近の拡大図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施例の永久磁石式回転電機１は、外周側に略環状の固定子１０を配置し、内周側に略円柱状の回転子２０を配置した、１０極６０スロット分布巻の永久磁石式回転電機であり、固定子１０と回転子２０の間にはエアギャップ３０が設けられている。固定子１０は、外周側に環状のコアバック１１０を配し、内周側に放射状のティース１３０を配した電磁鋼板を積層して固定子コア１００を構成し、固定子コア１００の巻線部１４０に巻線を形成して分布巻線を形成した後、図示しないハウジングに焼嵌めまたは圧入して一体化することで形成される。
【００２５】
また、図２に示すように、本実施例の回転子２０は、電磁鋼板を積層した鉄心である回転子コア２００と、回転軸となるシャフト３００からなる。そして、回転子コア２００の外周に設けられた１０極の軟磁性磁極２２０の各々は、磁極外周面となる磁極円弧２２１の両端に突起２２２が設けられるとともに、矩形の磁石取付孔２１２に矩形の永久磁石２１０が挿入されている。なお、図３Ａに示すように、軟磁性磁極２２０の磁極幅をＷｐ、突起２２２の突起長さをＬａ、磁石取付孔２１２の側壁厚さをＷｓｗ、磁石取付孔２１２の角部磁極材厚さをＴｐｅ、隣接する突起２２２間の距離をＬｐ、磁極中央と固定子内周の距離をＬｇ、突起端部２２５と固定子１０の距離をＬｅとする。以下では、軟磁性磁極２２０の形状とコギングトルクの関係の検討結果を説明した後、本実施例の詳細構造について説明する。
【００２６】
一般的に、コギングトルク、特に、スロットコンビネーションから指定される次数のコギングトルクは、磁極円弧２２１の円弧半径（以下「磁極円弧半径」と称する）を回転子２０の外表面の回転半径よりも小さくすることで、小さくできる。ところが、磁極円弧半径を小さくしていくと、コギングトルクが一旦消えるが（このときの磁極円弧半径を磁極円弧半径Ａとする）、さらに小さくしていくと、コギングトルク波形の位相が逆転してコギングトルクが増大する傾向がある。
【００２７】
また、磁極円弧半径が小さすぎると、突起端部２２５と固定子１０の距離Ｌｅが大きくなるため、そこでの磁束が少なくなり、磁極端部の形状変化に対してコギングトルクが変化しにくくなる。このため、磁極端部の形状を変化させてコギングトルクを低減させたい場合には、磁極円弧半径が磁極円弧半径Ａより小さすぎる形状は好ましくない。以下では、極円弧半径Ａより小さく、かつ、磁極端部の形状変化がコギングトルクの変化に十分影響する大きさの磁極円弧半径を磁極円弧半径Ｂとする。
【００２８】
この磁極円弧半径Ｂを維持したまま磁極端部の形状を変化させる構造として、磁極外周面の両端に突起２２２を設ける構造がある。この突起２２２を適切に設計することで、突起２２２と固定子１０の間の磁束を増加させることができ、実効的に磁極円弧半径Ａと同等の効果を得ることができる。すなわち、磁極円弧半径Ｂの磁極端部付近の磁束分布を改善することで、コギングトルクを磁極円弧半径Ａと同程度の小ささに改善できると考えられる。なお、軟磁性磁極２２０に施す形状変化は、突起２２２のみの局所的なものであるため、突起長さＬａに対する磁束の変化は、磁極幅Ｗｐや磁極円弧半径を変化させるより緩やかになると考えられる。また、突起２２２を経由して隣接する突起２２２に漏れる磁束は、微少量であるため、トルク低下も抑制できると考えられる。
【００２９】
突起２２２の延長によりコギングトルクを十分小さくできる場合は、磁極円弧半径Ｂの突起端部２２５と固定子１０の間に、コギングトルクに影響し、かつ、トルクに寄与するほどの磁束が存在することになる。このため、突起２２２は、永久磁石２１０の磁束を固定子１０に導きやすい形状であることが望ましい。具体的には、突起端部２２５を固定子１０に近づけるため、磁極円弧２２１が全面に亘り磁石外周面２１１よりも外周側に位置し、かつ、突起端部２２５と固定子１０の距離Ｌｅが磁極中央と固定子内周の距離Ｌｇの２．５倍以内となる形状であることが望ましい。また、突起２２２を経由して隣接する突起２２２に漏れる磁束量を微少量に留めるには、突起間の距離Ｌｐが、突起端部２２５と固定子１０の距離Ｌｅより大きい形状であることが望ましい。
【００３０】
さらに、軟磁性磁極２２０の幅Ｗｐが小さすぎると、磁極円弧半径が小さすぎる場合と同様に、磁極間に磁束の少ない領域が発生し、コギングトルクを小さくできる磁束分布から遠ざかることに加え、永久磁石２１０の幅の縮小によりトルクを低下させることになるため、好ましくない。一方、高トルクを得ようとして永久磁石２１０の幅を増加させ過ぎると、磁極円弧半径が大きすぎる場合と同様に、コギングトルクの低減が困難になる。このため、磁極幅Ｗｐは適度な大きさである必要があり、磁極中央と固定子内周の距離Ｌｇに対して、突起端部２２５と固定子１０の距離Ｌｅが２．５倍以内となる範囲に、磁極円弧半径Ａと磁極円弧半径Ｂがともに存在するような磁極幅Ｗｐが望ましい。
【００３１】
また、磁石取付孔２１２の角部と磁極外周面との最短距離である、角部磁極材厚さＴｐｅは、熱減磁とコギングトルクに影響する。熱減磁に関しては、固定子１０のティース１３０からの減磁界が６０スロットにより分散して、磁石端部への集中が緩和され、問題にならない程度になるため、ここでは議論しない。
【００３２】
一方、磁極円弧半径Ｂを維持したまま、角部磁極材厚さＴｐｅを側壁厚さＷｓｗよりも大きな値から側壁厚さよりも小さな値に小さくしていくと、側壁を通る磁束漏れ量を角部磁極材厚さＴｐｅが支配してコギングトルクが減少するようになる。この磁束漏れの減少は、磁石取付孔２１２の角部から内側の磁極の磁束を増加させ、実効的に磁石の残留磁束密度を増加するのと同様の効果になる。このとき、増加する磁束は、結果として、磁束の過密な中央部よりも端部の磁極と固定子の間で増加する。これにより、磁極円弧半径を増加させた場合と似た効果になり、磁極と固定子の間の磁束分布がコギングトルクを小さくする方向に変化すると考えられる。ただし、この突起端部２２５と固定子１０の間の磁束増加は、角部磁極材厚さＴｐｅの変化による磁性体内の磁束量の減少に起因するため、突起延長による突起端部２２５と固定子１０の間の空間の磁束量の増加より変化が大きいと考えられる。
【００３３】
このため、角部磁極材厚さＴｐｅを側壁厚さＷｓｗより大きくした上で、コギングトルクを小さくする突起２２２を形成すると、角部磁極材厚さＴｐｅが製造誤差により変化しても、コギングトルクの変動を小さくできると考えられる。
【００３４】
また、側壁厚さＷｓｗが大きいと永久磁石２１０のＮＳ極間の磁束漏れが増加してトルクが低下するため、側壁厚さＷｓｗは、安定して量産可能な最小の厚さに設定するのが望ましい。角部磁極材厚さＴｐｅが側壁厚さＷｓｗより大きい場合、側壁厚さＷｓｗの減少による磁極磁束増加の影響は、磁極幅Ｗｐ全体に及ぶ。このとき、実効的に、永久磁石２１０の残留磁束密度増加と磁石幅増加が両方生じたと考えることができ、磁石幅増加では磁極中央部でより磁束が増加するため、角部磁極材厚さＴｐｅの減少の場合よりも影響が均される。このため、角部磁極材厚さＴｐｅの減少の場合よりもコギングトルクへの影響は小さくなると考えられる。
【００３５】
以上の検討から、永久磁石式回転電機には、次の構成の採用が有効であることが確認された。
（１）磁極円弧２２１が、全面に亘り磁石外周面２１１より外周側にあること、
（２）磁極円弧２２１を延長する突起２２２を設け、当該突起と隣り合っている磁極の突起との距離Ｌｐが、磁極円弧２２１と固定子との距離が最も大きい部分の距離Ｌｅよりも大きいこと、
（３）角部磁極材厚さＴｐｅが、側壁厚さＷｓｗより大きいこと、
（４）磁極中央と固定子内周の距離Ｌｇに対して、磁極端部と固定子の間の距離Ｌｅが２．５倍以内となる磁極円弧２２１を有すること。
【００３６】
以上の検討結果を踏まえ、本実施例の永久磁石式回転電機１の構成を詳細に説明する。図１に示すように、永久磁石式回転電機１は、固定子１０と回転子２０を備えるものである。また、回転子２０は、図２に示すように、回転子コア２００を有し、これと一体化して径方向に突出した軟磁性磁極２２０には磁石取付孔２１２が穿たれており、そこに永久磁石２１０が配置される。回転子コア２００は、打ち抜き形成された電磁鋼板を積層することで、回転軸方向に厚さを持つ回転子２０を形成する。
【００３７】
軟磁性磁極２２０は、図３Ａに示すように、固定子１０に近い側に磁極円弧２２１を有し、磁石取付孔２１２の側面に打ち抜き形成した側壁２２３を有する。側壁２２３が存在すると、永久磁石自身のＮＳ極間に磁束漏れが起きてトルク低下を引き起こすので、側壁厚さＷｓｗは量産打ち抜き工程で可能となる最小の厚さであることが望ましい。また、軟磁性磁極２２０は、磁石取付孔２１２の角部と磁極円弧２２１の間に、角部磁極材２２４を有する。これの厚さである角部磁極材厚さＴｐｅも磁束漏れ量に影響しトルクに影響する。また、軟磁性磁極２２０は、磁極円弧２２１が延長された突起２２２と、その先端の突起端部２２５を有し、軟磁性磁極２２０の両端の距離が磁極幅Ｗｐである。また、突起２２２付近の拡大図である図３Ｂに示す、磁極幅Ｗｐの突出方向と磁極円弧２２１が交わる交点２２６が、磁極円弧２２１と固定子１０との距離が最も大きい部分に該当し、磁極円弧２２１の端部でもある交点２２６が、磁石外周面２１１の延長面より外周側にある形状を有する。また、本実施例では、隣接する突起２２２同士の距離Ｌｐが、交点２２６と固定子１０との距離Ｌｅよりも大きい形状を有する。また、角部磁極材厚さＴｐｅが、側壁厚さＷｓｗより大きい形状を有し、さらに、交点２２６と固定子内周の距離Ｌｅが、磁極中央と固定子内周の距離Ｌｇの２．５倍以内となる磁極円弧２２１を有する。
【００３８】
以上で説明した形状の軟磁性磁極２２０を用いることにより、磁石使用量に対するトルク出力が大きく、コギングトルク、トルクリップルに優れた永久磁石式回転電機を得ることができる。
【００３９】
本実施例の永久磁石式回転電機１の回転子構造を磁場解析して得られたコギングトルクの６０次成分の計算結果を図７に示す。この磁場解析時に変化させた磁極形状は、突起２２２の長さＬａと、角部磁極材厚さＴｐｅである。図７では、横軸を、突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘとし、縦軸を、角部磁極材厚さＴｐｅ／側壁厚さＷｓｗとした。なお、最大突起長さＬａｍａｘは隣接する突起２２２の間隔が０になる長さである。また、図７の等高線は、コギングトルクの６０次成分の両振幅をｍＮｍの単位で示したものである。数値の符号は、コギングトルクの波形が計算開始から正方向に振れるか、負方向に振れるかに対応させたもので、便宜的に正負を記したものであり、軟磁性磁極２２０の形状によってコギングトルク波形の位相が逆になることを示している。
【００４０】
図７の等高線から分かるように、横軸方向（突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘ）の変化に対して、コギングトルク６０次成分の変化は小さいといえる。これは突起長さＬａが変化してもエアギャップ３０内の磁束分布の変化が小さいことと対応する。
【００４１】
一方、縦軸方向（角部磁極材厚さＴｐｅ／側壁厚さＷｓｗ）の変化に関しては、角部磁極材厚さＴｐｅが側壁厚さＷｓｗより大きいとき（縦軸が１より大きいとき）は小さいが、角部磁極材厚さＴｐｅが側壁厚さより小さいとき（縦軸が１より小さいとき）は大きいといえる。これは、角部磁極材厚さＴｐｅが大きいときは、その厚さが変化してもエアギャップ３０内の磁束分布の変化が小さいのに対し、角部磁極材厚さＴｐｅが小さいときは、その厚さが変化したときのエアギャップ３０内の磁束分布の変化が大きいことと対応する。図７から得られる知見は、本実施例の前段で、磁極構造とコギングトルクの関係の検討から得られた知見（１）〜（４）と一致する。
【００４２】
ここで、突起長さＬａを大きく、また、角部磁極材厚さＴｐｅを小さくしていくことは、交点２２６が、磁石外周面２１１の延長面の外周側から内周側の方向に移っていくことと対応する。このとき、図７から分かるように、突起長さＬａに対するコギングトルク６０次成分の変化は小さくなるが、角部磁極材厚さＴｐｅに対するコギングトルク６０次成分の変化が大きくなるため、全体としては好ましくない。前記の磁極構造とコギングトルクの関係の検討においては、磁極円弧半径との関係から、交点２２６が磁石外周面２１１の延長面の外周側にあることが好ましいことを述べたが、突起長さＬａおよび角部磁極材厚さＴｐｅとの関係においても交点２２６が磁石外周面２１１の延長面の外周側にあることが好ましいことが分かる。したがって、交点２２６が磁石外周面２１１の延長面の外周側にある形状は、コギングトルクの低減と形状の変化に対する安定性の観点から好ましいことになる。
【００４３】
また、突起長さＬａを大きくしていくことは、隣接する突起間の距離Ｌｐが、交点２２６と固定子１０の距離Ｌｅよりも大きい形状から、小さい形状へと移っていくことと対応する。このとき、図７から分かるように、突起長さＬａに対するコギングトルク６０次成分の変化は小さくなる。これは、角部磁極材厚さＴｐｅが小さいために、突起長さＬａが大きいとエアギャップ３０の磁束分布の変化が小さくなることを示している。一方、距離Ｌｐが小さくなると、隣りあう磁極への磁束漏れが増大して、トルク低下と、トルクリップル増加が生じて好ましくない。このためにＬｐ＞Ｌｅとなる形状が好ましい。
【００４４】
また、突起長さＬａを大きくしていく場合は、交点２２６と固定子１０との距離Ｌｅも大きくなるため、前記の磁極構造とコギングトルクの関係の検討において議論したように、磁極端部での磁束が減少し、コギングトルク６０次成分の変化が小さくなる現象も生じている。ただし、実施例１においてＬｐ＞Ｌｅとなる形状の場合は、Ｌｅの磁極中央と固定子内周のエアギャップ３１の距離Ｌｇに対する比（Ｌｅ／Ｌｇ）が２．５を超えないため、Ｌｅ／Ｌｇによる形状の制限は問題にならない。しかし、磁極の円弧半径が小さすぎることによって、Ｌｐ≦ＬｅであってもＬｅ／Ｌｇが２．５を超えることは好ましくない。
【００４５】
また、コギングトルク６０次成分を小さくするには、突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘと、角部磁極材厚さＴｐｅ／側壁厚さＷｓｗの関係が、図７の一点破線（０ｍＮｍ）に近い位置にある磁極形状を有すると好ましい。また、突起長さＬａ＝０かつＴｐｅ／Ｗｓｗ＝１の形状に対して、突起長さＬａを大きくしていくとき、および、Ｔｐｅ／Ｗｓｗを小さくしていくときに、コギングトルク６０次成分が小さくなることは、前記の磁極構造とコギングトルクの関係の検討から得られた知見と一致する。ただし、一点破線において、Ｔｐｅ／Ｗｓｗ＜１の場合は、Ｔｐｅ／Ｗｓｗの変化に対するコギングトルク６０次成分の変化が大きいことが問題である。このため、Ｔｐｅ／Ｗｓｗ＞１となる形状であることが好ましい。
【００４６】
本実施例の永久磁石式回転電機１の軟磁性磁極２２０に相当する、突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘ＝０．４、角部磁極材厚さＴｐｅ／側壁厚さＷｓｗ＝１．２は、図７の点αで示され、コギングトルク６０次成分が十分小さいことが分かる。なお、点αの近傍では、突起長さＬａの０．１ｍｍの変化に対してコギングトルクの変化は０．５ｍＮｍであり、また、角部磁極材厚さＴｐｅの０．１ｍｍの変化に対してコギングトルクの変化は０．４ｍＮｍであった。すなわち、本実施例の構成によれば、突起長さＬａや角部磁極材厚さＴｐｅの製造誤差に対するコギングトルクの変化が抑制されていることが確認された。
【００４７】
また、側壁厚さＷｓｗの変化に関しては、角部磁極材厚さＴｐｅと磁極幅Ｗｐを変えずに、Ｗｓｗを０．７５ｍｍから０．５ｍｍに変化させたときに、コギングトルクの変化の計算結果が０．６ｍＮｍであったため、Ｗｓｗの影響は小さいと考えられる。このことは、前記の磁極構造とコギングトルクの関係の検討において議論した現象と一致する。
【００４８】
図７の計算結果を用いて説明したように、本実施例の永久磁石式回転電機１の構造は、コギングトルク低減に有効な構造であり、また、形状変化のコギングトルクへの影響を低減できて製造精度向上努力を軽減できる効果を有する。
【００４９】
なお、本実施例の永久磁石式回転電機１を、ＥＰＳ装置に用いることで、車室内に伝搬する振動や騒音を抑制できるが、その他の自動車用電動補機装置へ適用することでも振動や騒音を抑制することが可能である。さらには、本実施例の永久磁石式回転電機１の採用は自動車分野に限定されず、低振動化が好ましい産業用の永久磁石式回転電機全般にも適用可能である。
【実施例２】
【００５０】
図４を用いて、実施例２の永久磁石式回転電機１を説明する。なお、実施例１と共通の部分は説明を一部省略する。
【００５１】
実施例１の軟磁性磁極２２０では、突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘが０．４で、角部磁極材厚さＴｐｅが側壁厚さＷｓｗより２０％厚い形状であったが、本実施例の軟磁性磁極２２０では、突起長さＬａをより短くするとともに、角部磁極材厚さＴｐｅを側壁厚さＷｓｗと等しい厚さとした。
【００５２】
本実施例の永久磁石式回転電機１の軟磁性磁極２２０に相当する、突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘ＝０．３、角部磁極材厚さＴｐｅ／側壁厚さＷｓｗ＝１．０は、図７の点βで示され、コギングトルク６０次成分が略ゼロであることが分かる。
【００５３】
一方、実施例１に対応する点αと比較し、角部磁極材厚さＴｐｅが減少しているため、角部磁極材厚さＴｐｅの変化に対するコギングトルクの変化は増加する傾向にある。磁場解析の結果によれば、角部磁極材厚さＴｐｅの０．１ｍｍの変化に対して、コギングトルクの変化は３ｍＮｍであった。
【００５４】
これは、実施例１の構成におけるコギングトルク変化０．４ｍＮｍ／０．１ｍｍに対して大きな値であり、本実施例の軟磁性磁極２２０は、コギングトルク低減に有効な構造であるが、製造誤差が０．１ｍｍを下回るような製造精度向上の努力が求められる。
【実施例３】
【００５５】
次に、図５を用いて、実施例３の永久磁石式回転電機１を説明する。なお、実施例１、２と共通の部分は説明を一部省略する。
【００５６】
実施例１の永久磁石式回転電機１は、１０極６０スロット分布巻の回転電機であったが、実施例３の永久磁石式回転電機１は、１０極１２スロット集中巻の回転電機である。本実施例の固定子１０は、例えば、電磁鋼板の分割打ち抜きコアを積層した積層体によりＴ形のティース１３０を形成し、このティース１３０に巻線を形成して、円環に組み、ハウジングに焼嵌めまたは圧入して一体化されることで形成される。
【００５７】
本実施例の永久磁石式回転電機１の軟磁性磁極２２０は、突起長さＬａ／最大突起長さＬａｍａｘ＝０．３４、角部磁極材厚さＴｐｅ／側壁厚さＷｓｗ＝１．１５のものである。本実施例の回転電機の特性を磁場解析すると、コギングトルクが１ｍＮｍ、突起長さＬａの０．１ｍｍの変化に対するコギングトルクの変化が０．３ｍＮｍ、角部磁極材の厚さＴｐｅの０．１ｍｍの変化に対するコギングトルクの変化が０．１ｍＮｍであった。すなわち、本実施例の構成によれば、コギングトルクを十分に小さくできることに加え、実施例１で説明した１０極６０スロットの構成よりも寸法誤差に対するコギングトルク変動が小さいという特性を得ることができる。ただし、電磁加振力の空間モードの最小次数が２であるため、用途によってはモータを組み込むシステムにおいて振動低減のための機構を設ける必要が生じる。
【比較例】
【００５８】
次に、図６を用いて、１０極６０スロット分布巻の永久磁石式回転電機の比較例を、実施例１と比較しながら説明する。実施例１では軟磁性磁極２２０の両端に突起２２２を設けたが、図６の比較例では突起２２２を設けておらず、軟磁性磁極２２０の側面と磁極円弧２２１の交点２２６が実施例１の突起端部２２５、すなわち、磁極円弧２２１と固定子１０の距離が最も大きい部分に相当する。また、実施例１では、角部磁極材厚さＴｐｅを側壁厚さＷｓｗより大きくしたが、比較例では、コギングトルクを小さくするために角部磁極材厚さＴｐｅを側壁厚さＷｓｗより小さくした。
【００５９】
図８に示す実施例１と比較例のコギングトルクの比較から、両構成の効果の相違を説明する。図８に示す各構成のコギングトルクは、固定子１０、回転子２０、および、エアギャップ３０の磁束分布と、エアギャップ３０の電磁応力を有限要素法による磁界解析で計算し、回転角に対応するコギングトルクを算出することにより得たものである。ここに示すように、実施例１では、コギングトルクの６０次成分は０．６ｍＮｍ、コギングトルクの変化／突起長さＬａの変化は０．４ｍＮｍ／０．１ｍｍ、コギングトルクの変化／角部磁極材厚さＴｐｅの変化は０．５ｍＮｍ／０．１ｍｍであり、どれも十分に小さく、本発明の目的を達成できることが分かる。
【００６０】
これに対し、比較例では、コギングトルクの６０次成分は０．３ｍＮｍと小さいが、コギングトルクの変化／角部磁極材厚さＴｐｅの変化は５ｍＮｍ／０．１ｍｍと大きかったため、非常に高い製造精度が求められ、本発明の目的の一つである製造誤差に対する尤度の確保という目的を達成することが困難である。
【００６１】
ここで、比較例では突起２２２がないため、磁極幅Ｗｐを０．２ｍｍ増加させることは、磁石取付孔の幅を変えない場合は各々の側壁厚さＷｓｗを０．１ｍｍ増加させることになる。このとき、角部磁極材厚さＴｐｅは変わらない。この構成で磁極幅Ｗｐを増加させた場合のコギングトルク変化は４．５ｍＮｍ／０．１ｍｍとなった。また、側壁厚さＷｓｗを変えないで磁極幅Ｗｐを０．２ｍｍ増加させることは、磁石取付孔の幅も０．２ｍｍ増加させ、磁石と側壁の空隙が増加することになる。このとき、角部磁極材厚さＴｐｅはやや減少する。この構成で磁極幅Ｗｐと磁石取付孔の幅をともに増加させた場合のコギングトルク変化は０．５ｍＮｍ／０．１ｍｍとなった。すなわち、打ち抜きによる量産製造において磁極幅Ｗｐと磁石取付孔幅の変動が同じにはなりにくいため、比較例の構成を採用した場合には、磁極幅の変化がコギングトルクの変化に与える影響は小さくはなく、コギングトルクを所望の範囲に抑制するには、高い製造精度が要求されることが分かる。
【００６２】
以上の比較検討からも、実施例１の構成は、コギングトルク、コギングトルクの変化／突起長さＬａの変化、コギングトルクの変化／角部磁極材厚さＴｐｅの変化、の何れの面でも優れており、コギングトルク低減と製造精度向上努力の軽減に関して効果のあることが示された。
【符号の説明】
【００６３】
１      永久磁石式回転電機
１０    固定子
２０    回転子
３０    エアギャップ
３１    軟磁性磁極中央と固定子内周のエアギャップ
３２    軟磁性磁極の外周側の表面の端部と固定子内周のエアギャップ
３３    突起と突起の間隔
１００  固定子コア
１１０  コアバック
１３０  ティース  
１４０  巻線部
２００  回転子コア
２１０  永久磁石  
２１１  磁石外周面
２１２  磁石取付孔
２２０  軟磁性磁極
２２１  磁極円弧
２２２  突起
２２３  磁石取付孔の側壁
２２４  磁石取付孔の角部磁極材
２２５  突起端部
２２６  円弧状磁極外周面と磁極幅における突出方向との回転面内の交点
３００  シャフト
Ｌａ  突起長さ
Ｌｐ  隣接する突起間の距離
Ｔｐｅ  角部磁極材厚さ
Ｗｓｗ  側壁厚さ
Ｗｐ  磁極幅
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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