(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁用永久磁石を取り付けた回転子と、複数の磁極歯と固定子巻線用スロットを設けた固定子鉄心を有する固定子を備える永久磁石型モータにおいて、
前記固定子鉄心は、前記磁極歯の先端部を隣の磁極歯の先端部と連結して閉スロットとした固定子鉄心片と、連結せずに開スロットとした固定子鉄心片とを混在積層して構成し、
前記固定子鉄心は、前記閉スロットを有する固定子鉄心片を１乃至複数枚積層した閉スロットブロックと、前記開スロットを有する固定子鉄心片を１乃至複数枚積層した開スロットブロックとを複数ブロック積み重ねて構成し、
前記回転子に取り付ける永久磁石は、前記開スロットブロックに対向する位置にのみ配置したことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記固定子鉄心における軸方向両端には前記閉スロットを有する固定子鉄心片を積層したことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項３】
請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記開スロットを有する固定子鉄心片における開スロットの開口幅は、前記固定子巻線の巻線径より狭くしたことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項４】
請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記閉スロットを有する固定子鉄心片の板厚は、前記開スロットを有する固定子鉄心片の板厚より薄くしたことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項５】
請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記固定子鉄心に積層する前記開スロットを有する固定子鉄心片の合計板厚は、前記固定子鉄心の全板厚の８０〜９５％とし、残りは前記閉スロットを有する固定子鉄心片としたことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項６】
請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記回転子に取り付ける永久磁石は軸方向に複数のブロックに分割し、分割した各ブロックによって発生するギングトルクが互いに打ち消し合うように各ブロックを円周方向にずらして固定したことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項７】
請求項６に記載の永久磁石型モータにおいて、前記永久磁石を軸方向に複数のブロックに分割して円周方向にずらして固定することに代えて、永久磁石の周方向磁極配置を軸方向に進むに従って円周方向に連続的にずらしてコギングトルクが全体として打ち消し合うように配置したことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の永久磁石型モータにおいて、前記永久磁石を取り付ける代わりに、前記回転子を構成する磁性材料からなる回転子鉄心の表層部を着磁して磁石を構成したことを特徴とする永久磁石型モータ。
【請求項９】
車両のステアリングの操舵力を補助する電動パワーステアリング装置であって、補助操舵力を発生させる電動モータとして請求項１乃至８の何れか一項に記載の永久磁石型モータを使用したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石を回転子に取り付けた永久磁石型モータに関し、特に誘起電圧波形の歪とコギングトルクを低減して騒音と振動を少なくした永久磁石型モータ、及びそれを使用した電動パワーステアリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両運転者のステアリング操作を補助するために電動パワーステアリング装置が装備されることがある。この電動パワーステアリング装置は運転者がステアリング軸に付与した操舵トルクをトルクセンサで検出し、その値に応じたトルクを電動モータで発生させてステアリング軸に与えるものである。使用する電動モータに対しては、滑らかなステアリング操作を実現するために発生トルクに脈動が少ないことが要求される。
【０００３】
永久磁石を回転子に取り付けた永久磁石型モータの発生するトルクに含まれる脈動には、モータに電流を流さない静的状態でも回転子を回した時に発生するコギングトルクと、通電して回転させた時に新たに発生するトルクリプルとがある。
【０００４】
このうちコギングトルクは回転子位置による回転子と固定子の静的な磁気吸引力の差に基づくものである。この磁気吸引力の差を少なくするため図１２に示すように固定子５０の固定子鉄心５１に固定子巻線を巻くためのスロットとして開口部を有しない閉スロット形状のスロット５２が採用されることがある。しかし、閉スロット形状の場合には閉スロットの連結部５３で隣り合う磁極歯５４間を短絡する磁束漏れが生ずるため回転子を回転させた時の誘起電圧波形に歪みが生じ、トルクリプルが大きくなる欠点がある。
【０００５】
対策として図１３に示すように隣り合う磁極歯５４間の連結部５３にスロット５２側が開口した複数の溝５５を周方向に非等間隔に配置したものがある。これは溝５５を設けることにより連結部５３の磁気抵抗を増大させて磁束漏れを少なくすることと、溝５５を非等間隔に配置してコギングトルクを分散させ合成コギングトルクを低減することを目的としたものがある（特許文献１参照）。しかし、溝５５を設けたとしても閉スロットであることに変わりはなく全体としての磁束漏れは大きい。また溝５５を非等間隔で配置するため加工工数が増加する問題がある。
【０００６】
一方、一般的である開スロット形状の場合は、この磁極歯間を短絡する磁束漏れが少ないため誘起電圧波形の歪が少ない利点を有する。その反面、開スロット部の磁気エネルギー変化が大きくなりコギングトルクが増す欠点がある。また、開スロット形状の場合、固定子巻線の巻線がスロットの開口部より飛び出して回転子がロックする危険性があり、安全性の厳しい用途では問題となる。この点では閉スロット形状は巻線が飛び出す心配がないため安全である。
【特許文献１】特開２００２−１４２３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その課題は、固定子巻線の巻線が固定子鉄心の内側に飛び出して回転子がロックする危険性をなくして安全性を確保すると同時に、回転時のトルク脈動を低減して騒音、振動を少なくした永久磁石型モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、界磁用永久磁石を取り付けた回転子と、複数の磁極歯と固定子巻線用スロットを設けた固定子鉄心を有する固定子を備える永久磁石型モータにおいて、前記固定子鉄心は前記磁極歯の先端部を隣の磁極歯の先端部と連結して閉スロットとした固定子鉄心片と、連結せずに開スロットとした固定子鉄心片とを混在積層して構成し、前記固定子鉄心は前記閉スロットを有する固定子鉄心片を１乃至複数枚積層した閉スロットブロックと、前記開スロットを有する固定子鉄心片を１乃至複数枚積層した開スロットブロックとを複数ブロック積み重ねて構成し、前記回転子に取り付ける永久磁石は前記開スロットブロックに対向する位置にのみ配置したことを特徴とする永久磁石型モータである。
【０００９】
このような構成の永久磁石型モータは、閉スロットを有する固定子鉄心片の混在により固定子巻線の回転部への飛び出しが防止されると同時に、開スロットを有する固定子鉄心片の混在により誘起電圧波形の歪が少なくなりトルクリプルが減少する。従って、安全が確保されると同時に騒音、振動も低減される効果を奏する。
また、このように開スロットを有する固定子鉄心片を積層したブロックに対向する部分にのみ永久磁石を配置すれば、誘起電圧波形の歪を少なくすることができる。従って、トルクリプルが減少して騒音、振動が低減される効果を奏する。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記固定子鉄心における軸方向両端には前記閉スロットを有する固定子鉄心片を積層したことを特徴とする永久磁石型モータである。
【００１１】
軸方向両端の固定子鉄心片に形成されたスロットが閉スロット形状であることは、固定子巻線の回転部への飛び出し防止に大きな効果を奏する。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記開スロットを有する固定子鉄心片における開スロットの開口幅は、前記固定子巻線の巻線径より狭くしたことを特徴とする永久磁石型モータである。
【００１３】
開口幅を巻線径より狭くしておけば、開スロットの開口部から固定子巻線が回転部へ飛び出す危険性が減少する効果を奏する。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記閉スロットを有する固定子鉄心片の板厚は、前記開スロットを有する固定子鉄心片の板厚より薄くしたことを特徴とする永久磁石型モータである。
【００１５】
このように閉スロットを有する固定子鉄心片の板厚を薄くしておけば、隣の磁極歯との連結部の磁気抵抗が増大して漏れ磁束が少なくなり、誘起電圧波形の歪が少なくなる。従って、トルクリプルが減少して騒音、振動が少なくなる効果を奏する。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記固定子鉄心に積層する前記開スロットを有する固定子鉄心片の合計板厚は、前記固定子鉄心の全板厚の８０〜９５％とし、残りは前記閉スロットを有する固定子鉄心片としたことを特徴とする永久磁石型モータである。
【００１７】
このような構成にしておけば、閉スロットを有する固定子鉄心片により固定子巻線の回転部への飛び出しが防止されると同時に、開スロットを有する固定子鉄心片により誘起電圧波形の歪が少なくなりトルクリプルが減少する。従って、安全が確保されると同時に騒音、振動も低減される効果を奏する。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の永久磁石型モータにおいて、前記回転子に取り付ける永久磁石は軸方向に複数のブロックに分割し、分割した各ブロックによって発生するギングトルクが互いに打ち消し合うように各ブロックを円周方向にずらして固定したことを特徴とする永久磁石型モータである。
【００２１】
このように複数のブロックで発生するコギングトルクが互いに打ち消し合うように円周方向にずらして固定すれば、合成コギングトルクが減少することによりモータが回転するときの振動、騒音が低減される効果を奏する。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の永久磁石型モータにおいて、前記永久磁石を軸方向に複数のブロックに分割して円周方向にずらして固定することに代えて、永久磁石の周方向磁極配置を軸方向に進むに従って円周方向に連続的にずらしてコギングトルクが全体として打ち消し合うように配置したことを特徴とする永久磁石型モータである。
このような構成とすれば合成コギングトルクを一層効果的に減少させることができ、モータが回転するときの振動、騒音を効果的に低減させることができる。
【００２３】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れかに記載の永久磁石型モータにおいて、前記永久磁石を取り付ける代わりに、前記回転子を構成する磁性材料からなる回転子鉄心の表層部を着磁して磁石を構成したことを特徴とする永久磁石型モータである。
このように着磁により磁石を構成すれば、回転子を低コストで製作することができる。
【００２４】
また、請求項９に記載の発明は、車両のステアリングの操舵力を補助する電動パワーステアリング装置であって、補助操舵力を発生させる電動モータとして請求項１乃至８の何れかに記載の永久磁石型モータを使用したことを特徴とする電動パワーステアリング装置である。
【００２５】
トルクリプルの少ない永久磁石型モータを使用した電動パワーステアリング装置は滑らかなステアリング操作を可能とする効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る永久磁石型モータの一実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の永久磁石型モータは「背景技術」で述べたような閉スロット及び開スロットを有する回転子鉄心がそれぞれ有する利点を生かし、固定子巻線の固定子鉄心の内側への飛び出しを防止すると同時に誘起電圧波形の歪みとコギングトルクを低減してトルク脈動の低減を図ろうとするものである。この目的を達成するため本実施形態の永久磁石型モータでは、閉スロットと開スロットを混在させて回転子鉄心を構成している。
【００２７】
図１は、本実施形態の永久磁石型モータの固定子鉄心１を縦に２分割した断面を斜視図で示したものである。この固定子鉄心１は、珪素鋼板などの磁性鋼板を打ち抜いて製作した固定子鉄心片２、２ａを多数枚積層して軸方向にかしめたものである。各固定子鉄心片のスロットは、例として図の上部から順に２枚が閉スロット形状、１０枚が開スロット形状、３枚が閉スロット形状、１０枚が開スロット形状、２枚が閉スロット形状に形成されている。
【００２８】
図２は閉スロット４を有する固定子鉄心片２、図３は開スロット４ａを有する固定子鉄心片２ａの平面形状例である。何れの固定子鉄心片２、２ａも環状のヨーク部５と、そこから中心に向けて等間隔で突出する多数の磁極歯６により構成されている。固定子巻線の巻線８を通すスロット４、４ａはヨーク部５と磁極歯６に囲まれた部分である。図２に示す固定子鉄心片２では隣り合う磁極歯６の先端部が接触して閉スロット４が形成されている。図３に示す固定子鉄心片２ａでは隣り合う磁極歯６の先端部が開いて開スロット４ａが形成されている。開スロット４ａの開口９の幅は、固定子巻線の巻線８の径より狭くしてある。
【００２９】
固定子鉄心１は図２、図３に示したような固定子鉄心片２、２ａを積層して構成したものであるが、実際に製作する際は最初に図４に示すような展開固定子鉄心片１０を磁性鋼板を打ち抜いて形成する。この展開固定子鉄心片１０は、図２、図３の固定子鉄心片２、２ａを磁極歯６の数に等分割し、ヨーク部５の最外周部に残した切り残し部１１により繋がった状態に展開したものである。磁極歯６の先端部１３は開スロットとする場合と閉スロットとする場合とで形状を変えて形成する。この展開固定子鉄心片１０を積層して図５に示すような展開固定子鉄心１５とした上で先に各磁極歯６に固定子巻線を巻装し、最後に全体を筒状に塑性変形させ両端を溶接等で接合して図１の縦断面図に示した固定子鉄心１を有する固定子を製作する。
【００３０】
固定子鉄心の別の製作方法としてはヨーク部５と磁極歯６とを別々に製作し、最後に嵌め合いにより合体させて製作する方法もある。その場合には最初に図６に示すようなヨーク部５と先端部が繋がった磁極歯６とを別々に打ち抜きで形成し、次にそれらを積層して図７に示すような積層したヨーク部５と積層した磁極歯６を構成する。積層した全ての層の磁極歯６は先端部が隣の磁極歯６と繋がっており、このまま積層したヨーク部５内側に取り付けたのでは全ての層が閉スロット形状となってしまう。そのため図７に示す状態で開スロット形状を必要とする層に外側から機械加工により開スロットのための切り込みを入れる。その後で積層した磁極歯６に固定子巻線を巻装し、最後に全体をヨーク部５に設けたあり溝１７に嵌合固定させ図８の縦断面図に示すような固定子鉄心１ａを有する固定子を製作する。
【００３１】
図１及び図８に示した構成の固定子鉄心１、１ａでは、閉スロット４を形成した固定子鉄心片２を軸方向両端に２枚、中央部に３枚積層することにより巻線８のスロットからの飛び出しを防いでいる。更に、開スロット４ａを有する固定子鉄心片２ａでもスロット開口９の幅を巻線８の径よりも狭くして巻線８がスロット開口部から飛び出しにくい構成としている。従って、図１、図８に示した構成の固定子鉄心１、１ａでは、固定子巻線の巻線８が回転子の収納される固定子鉄心１、１ａの内側（回転部）に飛び出す危険性は極めて少なく、この点での安全が十分に確保されている。
【００３２】
「背景技術」で説明したように誘起電圧波形の歪を少なくして通電時のトルクリプルを減少させ振動、騒音を抑えるにはスロットを開スロット形状とすることが好ましい。この点を考慮して本実施形態の永久磁石型モータでは、回転子に取り付ける永久磁石は固定子鉄心片における開スロットが形成されている部分に対向する部分にのみ配置するようにしている。図９は永久磁石をこのように配置した回転子を用いた永久磁石型モータ２０の構成例である。
【００３３】
この固定子鉄心１は図８に示したものと同じで２分割した縦断面を斜視図で示している。固定子鉄心１に巻装した固定子巻線は省略してある。回転子２１は略円筒状で固定子鉄心１の内側に回転可能に収納されている。回転軸及び支持機構は省略してある。回転子２１は円筒状の回転子鉄心２２の表面に永久磁石２３を張り付けた表面磁石構造としてあるが、回転子鉄心２２の内部に埋め込んだ磁石埋め込み構造としてもよい。また、永久磁石２３を張り付ける代わりに回転子鉄心２２の表層部を着磁して磁石を構成してもよい。
【００３４】
回転子鉄心２２が回転することにより発生する誘起電圧は、張り付けられた永久磁石２３に対向する図示しない固定子巻線部分に発生する。図９に示した永久磁石型モータ２０の構造では、張り付けられた永久磁石２３に対向する部分の固定子鉄心１に形成されたスロットは全て開スロット形状になっている。このためため誘起電圧の歪は少なくなる。従って固定子巻線に正弦波交流を流した時に発生するトルクリプルは少なくなり振動、騒音が少なくなる効果を奏する。
【００３５】
図１０は、図９に示した永久磁石型モータ２０にコギングトルクを減少させるような改良を加えた永久磁石型モータ２０ａである。この永久磁石型モータ２０ａでは回転子２１ａに取り付ける永久磁石２３を軸方向に分割すると共に相互に周方向位置をずらして配置し、いわゆるスキューを設けた構成にしてある。コギングトルクは、回転子２１ａが１回転する間に回転子の極数と固定子のスロット数との最小公倍数の回数だけ周期的に発生する。即ち、３６０°をその最小公倍数で割った機械角度を回転子２１ａが回転する時間を１周期として周期的に発生する。
【００３６】
その１周期の間におけるコギングトルクの大きさは正弦波に類似した波形で正負に変化し、前半１／２周期の波形と後半１／２周期の波形とはほぼ正負対称波形となる。従って、前記周方向にずらす角度を、３６０°を前記最小公倍数で割った機械角度の１／２に設定すると２分割した部分で発生するコギングトルクが互いに打ち消しあい合成コギングトルクを小さくすることができる。図１０に示す永久磁石型モータ２０ａは回転子２１ａが４極で固定子鉄心１のスロット数は６であるので、ずらす角度は機械角で１５°にしてある。このような構成とすることで誘起電圧の歪を少なくすると同時にコギングトルクも小さくすることができる。
【００３７】
なお、図１０は永久磁石２３を軸方向に２分割した場合、即ち、２段スキューを設けた場合であるが、この分割の段数は更に増やしてもよい。その場合の１段当たりのずらす角度は、コギングトルクの１周期に相当する機械角度を段数で割った角度とする。
【００３８】
更には、分割するのに代えて永久磁石２３の周方向磁極配置を軸方向に進むに従って円周方向に連続的にずらしてコギングトルクが全体として打ち消し合うように配置してもよい。この場合は、コギングトルクの１周期に相当する機械角度分を連続的にずらすようにする。このように分割段数を増やしたり連続的にずらしたりすれば、打ち消し精度が向上して一層効果的にコギングトルクを減少させることができる。
【００３９】
図１１は、前記スキューを設けた回転子を使用した永久磁石型モータにおいて、固定子鉄心における開スロットを設けた固定子鉄心片と閉スロットを設けた固定子鉄心片との枚数の比率を変化させた場合における誘起電圧波形の歪を測定したものである。縦軸には誘起電圧波形の歪率（％）を、横軸には開スロットを設けた固定子鉄心片の占める割合（％）がとってある。
【００４０】
図で分かるように開スロットを設けた固定子鉄心片の占める割合が増すに従って誘起電圧波形の歪率（％）は減少する。そして、開スロットを設けた固定子鉄心片の割合が約８５％を境として歪率はそれ以上には減少しなくなる。開スロットを設けた固定子鉄心片の割合を１００％としたのでは、前述したように固定子巻線の巻線が開スロット部から飛び出す危険性が高まる。また、コギングトルクも大きな値となる。こうしたことから開スロットを設けた固定子鉄心片の占める割合を８０〜９５％（閉スロットを設けた固定子鉄心片の占める割合は２０〜５％）の範囲に設定することが、安全性確保と振動、騒音を抑制する点で好ましいといえる。
【００４１】
以上、説明したように図９あるいは図１０に示した永久磁石型モータ２０、２０ａは、誘起電圧の歪が少なく、またコギングトルクも小さくなるので回転時のトルク脈動が少なくなる。従って、このような永久磁石型モータを電動パワーステアリング装置の電動モータとして使用すれば、滑らかなステアリング操作を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る永久磁石型モータの固定子鉄心を縦に２分割した断面を斜視図で示したものである。
【図２】閉スロットを有する固定子鉄心片の平面形状例である。
【図３】開スロットを有する固定子鉄心片の平面形状例である。
【図４】展開固定子鉄心片の形状例である。
【図５】展開固定子鉄心片を積層して形成した展開固定子鉄心の形状例である。
【図６】ヨーク部と磁極歯を別々に形成する固定子鉄心片の形状例である。
【図７】図６に示すヨーク部と磁極歯を積層した鉄心の形状例である。
【図８】固定子鉄心の他の形状例である。
【図９】本発明の一実施形態に係る永久磁石型モータの構成例である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る永久磁石型モータの他の構成例である。
【図１１】固定子鉄心に占める開スロット形状固定子鉄心片の割合と誘起電圧波形の歪の関係を示すグラフである。
【図１２】従来技術に係る閉スロットを有する固定子鉄心の例である。
【図１３】従来技術に係る閉スロットを有する固定子鉄心の他の例である。
【符号の説明】
【００４３】
図面中、１、１ａは固定子鉄心、２、２ａは固定子鉄心片、４は閉スロット、４ａは開スロット、５はヨーク部、６は磁極歯、８は巻線、９は開口、１０は展開固定子鉄心片、１５は展開固定子鉄心、２３は永久磁石、２０、２０ａは永久磁石型モータ、２１、２１ａは回転子を示す。
【図１】
0004834386.tif 000002
【図２】
0004834386.tif 000003
【図３】
0004834386.tif 000004
【図４】
0004834386.tif 000005
【図５】
0004834386.tif 000006
【図６】
0004834386.tif 000007
【図７】
0004834386.tif 000008
【図８】
0004834386.tif 000009
【図９】
0004834386.tif 000010
【図１０】
0004834386.tif 000011
【図１１】
0004834386.tif 000012
【図１２】
0004834386.tif 000013
【図１３】
0004834386.tif 000014