(57)【要約】【課題】  永久磁石式集中巻ブラシレスモータの巻線を細線化し、モータ体格の低減と巻線作業性の向上を目的とする。【解決手段】  本発明に係る電動モータの固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心に巻き回された複数のコイルからなる固定子巻線と、を備え、前記複数のコイルのうち、互いに同相である第１のコイルと第２のコイルとは、隣接して前記固定子鉄心に巻き回され、前記第１のコイルには、前記第２のコイルに流れる電流とは異なる電流が流れることを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心と、
固定子鉄心に巻き回された複数のコイルからなる固定子巻線と、を備え、
前記複数のコイルのうち、互いに同相である第１のコイルと第２のコイルとは、隣接して前記固定子鉄心に巻き回され、
前記第１のコイルには、前記第２のコイルに流れる電流とは異なる電流が流れる電動モータの固定子。
【請求項２】
請求項１に記載の電動モータの固定子と、
前記固定子と径方向に所定のギャップを介し、前記固定子と同軸上に回転可能に配置される回転子と、を備える電動モータ。
【請求項３】
請求項２に記載の電動モータにおいて、
前記回転子は、前記固定子内に配置される電動モータ。
【請求項４】
請求項２に記載の電動モータにおいて、
前記回転子は、前記固定子外に配置される電動モータ。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載の電動モータにおいて、
前記回転子は、軸方向に隣接して配置される第１回転子と第２回転子を有し、
前記第１回転子における前記回転子磁石の周方向配置は、前記第２回転子における回転子磁石の周方向配置を周方向に所定の角度θ回転させた周方向配置と等価である電動モータ。
【請求項６】
請求項２乃至４のいずれかに記載の電動モータにおいて、
前記固定子は、軸方向に隣接して配置される第１固定子と第２固定子とを有し、
前記第１固定子における前記固定子巻線の周方向配置は、前記第２固定子における前記固定子巻線の周方向配置を周方向に所定の角度θ回転させた周方向配置と等価である電動モータ。
【請求項７】
請求項２または３のいずれかに記載の電動モータにおいて、
前記固定子は、軸方向に隣接して配置される第１固定子と第２固定子とを有し、
前記回転子は、軸方向に隣接して配置される第１回転子と第２回転子を有し、
さらに、前記第１回転子及び前記第２回転子について共通に設けられる駆動軸と、
前記第１固定子を保持すると共に前記第２固定子を保持するフレームと、を備え、
前記第１固定子における前記固定子巻線及び前記第１回転子における回転子磁石の周方向配置は、前記第２固定子における前記固定子巻線及び前記第２回転子における回転子磁石の周方向配置を前記駆動軸について周方向に所定の角度θ回転させた周方向配置と等価である電動モータ。
【請求項８】
請求項６又は７のいずれかに記載の電動モータにおいて、
前記第１固定子における前記固定子巻線は、前記第２固定子における前記固定子巻線と並列に接続される電動モータ。
【請求項９】
請求項６又は７のいずれかに記載の電動モータにおいて、
前記第１固定子における前記固定子巻線と、前記第２固定子における前記固定子巻線とは、異なるインバータに接続されている電動モータ。
【請求項１０】
請求項１に記載の電動モータの固定子と、
前記固定子と軸方向に所定のギャップを介し、前記固定子と同軸上に回転可能に配置される回転子と、を備える電動モータ。
【請求項１１】
請求項１に記載の電動モータの固定子において、
前記複数のコイルのうち、前記第１のコイルと同相である第３のコイルと第４のコイルとは、隣接して前記固定子鉄心に巻き回され、
前記第１のコイルと前記第３のコイルが１直２並列に接続されるとともに、前記第２のコイルと前記第３のコイルとが１直２並列に接続され、
前記固定子巻線は、前記固定子鉄心のスロット数をＳとしたとき、（Ｓ／６）組のＹ結線又はΔ結線である電動モータの固定子。
【請求項１２】
請求項１に記載の電動モータの固定子において、
前記固定子巻線は、前記固定子鉄心のスロット数をＳとしたとき、（Ｓ／３）組のＹ結線又はΔ結線である電動モータの固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式集中巻ブラシレスモータに関し、特に電動パワーステアリング装置などの自動車用電動補機システム用いられる電動モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動化による油圧の代替や、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、電気モータがステアリングホイール操作をアシストする電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳ）装置の装着率が急速に増大している。
【０００３】
ＥＰＳ装置では、運転者はステアリングホイールを介して、モータのトルク脈動を手に感じることになる。このため、ＥＰＳ用モータでは、コギングトルクをモータによるアシストトルクの１／１０００程度に、トルク脈動をアシストトルクの１％程度に小さくする必要がある。さらに、近年、アイドリングストップ機能搭載車の普及を背景に、エンジンの静音化が進展している。この結果、車室内騒音の低減の観点から、ＥＰＳ装置などの電装品に対して低振動、低騒音が強く求められている。
【０００４】
また、ＥＰＳ装置向けなどの自動車補機用モータでは、モータへの供給電圧が１２Ｖと比較的低いこと、モータの駆動電流が６０Ａから１００Ａ程度と比較的大きいことから、モータ性能を最大限に発揮するためには、線径がφ１．５からφ２．０程度の太エナメル線を高占積率、かつ、少数のターンでティースに巻回する必要がある。導線が太く固いため、張力を大きく加えて巻線作業を行う必要がある。その際、導線やボビンが傷つきやすいため、それらに配慮して巻線作業を行うために、製造コストの増加につながる。また、導線が太く少数ターンしか巻けないため、ターン数の増減によるモータ性能への影響が強い。その結果、１ターンでもターン数が少なくなると、所望のモータ性能が得られなくなるため、スロット形状の設計自由度が限られる。そのため、導線細線化による、巻線工程のコスト低減と設計自由度の向上も強く求められている。
【０００５】
導線を細線化する技術として、例えば特許文献１のように、少なくとも２個以上のコイルを直列接続する限定の下、並列回路数を増やすことで細線化し、多ターン数巻き回せる方法や、特許文献２のように、各ティースに複数個の巻線要素を設け互いに並列接続することで、並列接続数を増やし、細線化させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３４１９０号公報
【特許文献２】特開２００１−１９７６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１について、例えば、１０極１２スロットの３相交流モータでは、原理的に最大並列回路数は４となるが、その場合隣接同相コイルに異なる電流が流れることによって、循環電流の発生、トルク脈動の増加といった課題が生じる。そのため、少なくとも２個以上のコイルを直列接続しており、モータの最大並列回路数は２である。また、特許文献２については、複数個の巻線要素を巻き回す必要があるため巻線工程が増加する。また、巻線要素が増加したため、巻線要素各々をスロット内の所望の位置に収める難易度が上がるといった課題がある。
【０００８】
本発明は、上記のような従来技術が抱える問題を解決するためになされたものであり、低コストな方法により、永久磁石式集中巻ブラシレスモータの巻線を細線化し、モータ体格の低減と巻線作業性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電動モータの固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心に巻き回された複数のコイルからなる固定子巻線と、を備え、前記複数のコイルのうち、互いに同相である第１のコイルと第２のコイルとは、隣接して前記固定子鉄心に巻き回され、前記第１のコイルには、前記第２のコイルに流れる電流とは異なる電流が流れることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、永久磁石式集中巻ブラシレスモータの巻線を細線化し、モータ体格の低減と巻線作業性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態によるモータの構成を示す軸方向断面図
【図２】第１の実施形態による第１モータ部の径方向断面図
【図３】第１の実施形態による第２モータ部の径方向断面図
【図４】第１の実施形態による第１、及び第２モータ部のコイル配置
【図５】第１の実施形態による第１、及び第２モータ部のＵ相コイルの結線図
【図６】第１の実施形態による第１、及び第２モータ部の、固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す図
【図７】第２の実施形態による第１、及び第２モータ部のＵ相コイルの結線図
【図８】第３の実施形態による第１、及び第２モータ部のＵ相コイルの結線図
【図９】第３の実施形態による第１、及び第２モータ部の、固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す図
【図１０】第４の実施形態による第１、及び第２モータ部のＵ相コイルの結線図
【図１１】第５の実施形態によるモータの構成を示す軸方向断面図
【図１２】第５の実施形態による固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す図
【図１３】第６の実施形態によるモータの構成を示す軸方向断面図
【図１４】第６の実施形態による固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す図
【図１５】第７の実施形態によるモータの構成を示す軸方向断面図
【図１６】第７の実施形態による固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す図
【図１７】従来技術のＵ相コイルの結線図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を用いて本発明に係る電動モータを説明する。なお、以下の実施例におけるブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置をはじめ、その他の自動車用電動補機装置へも適用可能である。さらには、産業用のブラシレスモータ全般にも適用可能である。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１から図６を用いて、第１の実施例である１０極１２スロットモータの構成を説明する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る電動モータの軸方向断面図である。図１に示すように、本実施形態の電動モータは、固定子２と固定子２内に回転可能に配置された回転子１を有する第１モータ部と、固定子４と固定子４内に回転可能に配置された回転子３を有する第２モータ部と、回転子１及び回転子３について共通に設けられる駆動軸５と、固定子２を保持すると共に固定子４を保持するフレーム６と、を備える。回転子１及び回転子３は、回転子鉄心１０と、回転子鉄心１０の外周に貼り付けられた複数の回転子磁石８と、を有する。固定子２及び固定子４は、固定子鉄心９と、固定子鉄心９のティース部に巻回される固定子巻線１１と、を有する。図１においては、固定子巻線１１のコイルエンド部７が図示されている。
【００１５】
図２は、図１におけるＡ−Ａ断面で切断したときの第１モータ部の径方向断面図である。１０極１２スロットモータである第１モータ部は、回転子１による１０極回転磁場１２と、固定子２による１４極逆回転磁場１３の相互作用で、回転子１の回転速度ωの５倍の速度で逆回転する電磁加振力が発生する。この電磁加振力は、ある対角線方向の吸引力１４とこれと垂直方向の反発力１５で成り立っており、楕円形状の固定子変形１６を起こす円環２次の電磁加振力である。図示した固定子変形１６はある時間の変形状態であり、回転速度ωの５倍の速度で逆回転する。
【００１６】
図２に図示されるような、１０極１２スロットモータが負荷時において発生する径方向電磁加振力のうち、円環０次（回転０次）の加振力は、磁石全体による一様な吸引力であるため、フレームの振動を引き起こすことはない。また、円環１０次（回転１０次）の加振力は、円環次数が１０次と大きいため、固定子の変形は小さく（十角形状の固定子変形）、フレームの変形も小さい。１０極１２スロットモータにおいては、円環２次の電磁加振力がモータの振動に対して支配的である。
【００１７】
図３は、図１におけるＢ−Ｂ断面で切断したときの第２モータ部の径方向断面図である。図２と図３は、図中における上下左右方向が同一であるとして図示されている。図３に示す第２モータ部は、図２に示す第１モータ部を反時計回りの方向に９０度回転させたような構成となっている。このように、本実施形態においては、第２モータ部は、第１モータ部に対して、巻き線の配線および磁石の位置が同一となる配置から、反時計回りの方向に９０度ずらした配置となっているが、時計周りの方向に９０度でも良い。
【００１８】
言い換えれば、第１モータ部における固定子巻線７及び回転子磁石８の周方向配置は、第２モータ部における固定子巻線７及び回転子磁石８の周方向配置を駆動軸５について周方向に９０度回転させた周方向配置と等価となっている。これによって、円環２次の電磁加振力による第２モータ部の固定子変形１９は、第１モータ部の固定子変形１６に対して、９０度ずれる。
【００１９】
円環２次加振力は、円環３６０度で２周期であるため、９０度は、円環２次加振力の位相の半周期分にあたる。図４で図示した固定子変形１９は、ある時間における変形状態であり、回転速度ωの５倍の速度で逆回転する。第１モータ部における固定子巻線７及び回転子磁石８の周方向配置と、第２モータ部における固定子巻線７及び回転子磁石８の周方向配置とが、駆動軸５について周方向に９０度ずれた周方向配置関係となっているため、固定子変形１６と固定子変形１９とが９０度ずれた関係を保ちながら、逆回転する。
【００２０】
このように、第１モータ部における固定子巻線７及び回転子磁石８の周方向配置を、第２モータ部における固定子巻線７及び回転子磁石８の周方向配置に対して所定の角度θずらした配置を、以下では、両スキュー配置と呼ぶ。本実施形態は、９０度の両スキュー配置である。本実施例のような１０極１２スロットモータにおいては、周方向に９０度ずれて配置される第１モータ部と第２モータ部とにより電動モータを構成することにより、フレームの変形量が小さくなり、モータ振動を抑制することができる。
【００２１】
なお、トルク脈動及び、コギングトルクについても、位相が半周期分ずれるように、両スキューさせれば、電磁加振力によるフレーム変形と同様に、それぞれ低減させることができる。１０極１２スロットモータのトルク脈動は回転次数で３０次、コギングトルクは６０次であるので、それぞれ６度の奇数倍、３度の奇数倍ずらせばよい。
【００２２】
図４は、１０極１２スロットモータにおけるコイル配線を示す図である。本実施形態のモータは、１２スロットあるため、１相当り１２÷３＝４つのコイルが存在しており、巻き回し方向が互いに逆向きの同相コイルが隣接している。
【００２３】
Ｕ相コイルを例にとると、Ｕ１とＵ３、Ｕ２とＵ４の組が、それぞれ巻き回し方向が同じコイルの組み合わせである。この組み合わせは、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルも同様である。また、１０極１２スロットモータのコイルと磁石配置の対称性から、隣接同相コイルの配置が逆向きになった、２つの部分から成ることも特徴である。
【００２４】
図１７は、従来技術のＵ相コイルの結線図を示す。ここではＵ相を例に挙げて説明するが、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。図１７中の矢印は、誘起電圧ベクトルを示している。隣接する同相コイルであるＵ１とＵ２を直列接続し、Ｕ３とＵ４を直列接続している。そして、Ｕ１及びＵ２の組と、Ｕ３及びＵ４の組とを並列接続することで、Ｕ１及びＵ２が作る合成誘起電圧ベクトルの方向と、Ｕ３及びＵ４が作る合成誘起電圧ベクトルの方向を一致させる。これにより、Ｕ１及びＵ２に流れる電流とＵ３及びＵ４に流れる電流とを一致させている。その結果、循環電流の発生を抑制することができる。ここで、４並列化しようとすると、誘起電圧ベクトルの向きが揃わなくなる為、循環電流が流れるようになる。したがって、モータの性能低下無に実現できる最大の並列回路数は２であった。
【００２５】
図５は、本実施形態において提案する第１モータ部及び第２モータ部におけるＵ相コイルの結線図である。ここではＵ相を例に挙げて説明するが、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。隣接しておらず、かつ巻き回し方向が同じコイル同士であるＵ１とＵ３を並列接続し、Ｕ２とＵ４を並列接続する。並列接続されたＵ１及びＵ３の組と、並列接続されたＵ２及びＵ４の組とを、中性点を分離して並列接続する。その結果、Ｕ１及びＵ３に同じ電流が流れ、Ｕ２及びＵ４に同じ電流が流れる。Ｕ１及びＵ３と、Ｕ２及びＵ４との間は分離されているため、循環電流は発生しない。よって、循環電流の発生を抑制して、並列回路数を４（１直２並列の２つのＹ結線）としている。
【００２６】
並列回路数が２から４へと２倍になっているため、銅損を増加させることなく、導線の線断面積を０．５倍にして、２倍のターン数巻くことが可能となる。さらに、細線化したことで占積率が増加するため、銅損が減少する。また、ティース幅を拡大して磁気特性を向上させることもできる。
【００２７】
図６は、本実施例の固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す。第１モータ部と第２モータ部は、角度θずらすことにより、コギングトルク、トルク脈動、電磁加振力を低減できる。
【００２８】
本実施形態の電動モータでは、両スキュー構造を採用することにより、径方向電磁加振力に起因するモータの振動を抑制することができる。また、隣接するＵ１及びＵ２には互いに異なる電流が流れ、隣接するＵ３及びＵ４には互いに異なる電流が流れるため、コイル巻線を細線化することができる。これにより、図１に示すコイルエンド７の軸方向長さを低減することができる。したがって、本実施形態の電動モータのように、固定子を軸方向に２分割した場合であっても、コイルエンド長によるモータの体格増大を抑えることができる。
【００２９】
以上、自動車補機用として好適な１０極１２スロットモータの両スキュー配置について説明したが、１０極１２スロットモータと逆のコイル配置になる、１４極１２スロットモータについても適用できる。
【００３０】
第１モータ部と第２モータ部は同一のインバータで駆動させても良いし、それぞれ別のインバータで駆動させても良い。別のインバータで駆動させた場合、片方のインバータが故障した際でも、もう片方のインバータで、片方のモータ部位だけを駆動させることができ、緊急時のフェールセーフの観点から有効である。
【００３１】
（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態におけるＵ相コイルの結線図を示す。本実施形態は、第１の実施形態においてＹ結線とした固定子巻線をΔ結線により構成したものである。図７にはＵ相コイルの結線について図示しているが、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。このように、占積率をさらに向上させるために、１直２並列のΔ結線を２組設ける構成としてもよい。
【００３２】
本実施形態では、１直２並列に接続されたＵ１とＵ３が第１のΔ結線側に配置され、１直２並列に接続されたＵ２とＵ４が第２のΔ結線側に配置される。隣接して配置される同相コイル（例えば、Ｕ１とＵ２）は、異なるΔ結線側に配置されている。これにより、Ｕ１及びＵ３に同じ電流が流れ、Ｕ２及びＵ４に同じ電流が流れる。Ｕ１及びＵ３と、Ｕ２及びＵ４との間は分離されているため、循環電流は発生しない。よって、循環電流の発生を抑制することができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態におけるＵ相コイルの結線図を示す。本実施形態は、第１の実施形態の変形例である。循環電流が発生しないため、図８のように、各相の中性点を完全に分離して、１直１並列のＹ結線を４組設ける構成とすることができる。
【００３４】
図９は、本実施形態における固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す。第１モータ部と第２モータ部を所定の角度θずらすことにより、コギングトルク、トルク脈動、電磁加振力を低減することができる。１０極１２スロットモータの場合、角度θは８７≦θ≦９３を満たす角度に設定することが好ましい。
【００３５】
（第４の実施形態）
図１０は、第４の実施形態におけるＵ相コイルの結線図を示す。本実施形態は、独立した４組のΔ結線とした構成である。
【００３６】
（第５の実施形態）
図１１は、第５の実施形態における電動モータの構成を示す軸方向断面図を示す。本実施形態のモータは、単一の回転子１に対し、軸方向に２分割スキューされた構造の固定子を有する。固定子２と固定子４は、周方向に角度θずれて配置されている。角度θを調整することにより、コギングトルクの低減や、トルク脈動の低減といった効果が得られる。
【００３７】
図１２は、本実施形態における固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す。ここでは、１直２並列のＹ結線を２組設ける例を示している。ただし、１直２並列のΔ結線を２組としたり、１直１並列のＹ結線を４組としたり、または１直１並列のΔ結線を４組としたりすることが可能である。
【００３８】
（第６の実施形態）
図１３は、第６の実施形態における電動モータの構成を示す軸方向断面図を示す。本実施形態のモータは、軸方向に２分割された回転子１、３と、当該回転子の外周に配置された単一の固定子２と、により構成される。回転子１と回転子２は、周方向に角度θずれて配置されている。角度θを調整することにより、コギングトルクの低減や、トルク脈動の低減といった効果が得られる。なお、図中においては回転子１と回転子３を軸方向に分離して図示しているが、互いに密着する構造としてもよい。
【００３９】
図１４は、本実施形態における固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す。ここでは、１直２並列のＹ結線を２組設ける例を示している。ただし、１直２並列のΔ結線を２組としたり、１直１並列のＹ結線を４組としたり、または１直１並列のΔ結線を４組としたりすることが可能である。
【００４０】
（第７の実施形態）
図１５は、第７の実施形態における電動モータの構成を示す軸方向断面図を示す。本実施形態のモータは、上述の実施形態のように固定子や回転子をスキューさせていない。
【００４１】
図１６は、本実施形態における固定子と回転子の位置関係と全コイルの結線図を示す。ここでは、１直２並列のＹ結線を２組設ける例を示している。ただし、１直２並列のΔ結線を２組としたり、１直１並列のＹ結線を４組としたり、または１直１並列のΔ結線を４組としたりすることが可能である。
【００４２】
上記の実施例では、１０極１２スロットモータ、１４極１２スロットモータについて説明したが、他に重要な極数、スロット数の組み合わせとして、１４極１８スロットモータ、２２極１８スロットモータがある。１８スロットなので、１相当りのコイル数は、１８÷３＝６となる。最大並列回路数である６並列にするための結線方法は、循環電流の発生を防ぐため、第３の実施形態のように中性点をすべて分離し、１直１並列のＹ結線を６組、１直１並列のΔ結線を６組となる。
【００４３】
上記の実施例では、表面磁石型同期モータについて述べてきたが、埋込磁石内蔵型同期モータについても、並列回路数を増加させることにより、上記と同様の効果が得られる。
【００４４】
上記の実施例では、固定子内に回転可能に配置された回転子を有する、インナー回転子のモータについて述べてきたが、固定子外に回転可能に配置された回転子を有するアウター回転子のモータについても、並列回路数を増加させることにより、上記と同様の効果が得られる。
【００４５】
上記の実施例と同様の効果が得られるように、さらに第３モータ部、第４モータ部など、複数のモータ部がある場合についても、個々のモータ部において、固定子巻線の並列回路数を増加させても良い。
【００４６】
上記の実施例では、固定子と回転子が同軸上に対向して配置される、ラジアルギャップ型のモータについて述べてきたが、固定子と回転子とが軸方向に対向して配置される、アキシャルギャップ型のモータについても、並列回路数を増加させることにより、モータ体格の低減と巻線作業性の向上とは可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１２…１０極回転磁場、１３…１４極逆回転磁場、１４…吸引力、１５…反発力、１６…固定子変形、１７…吸引力、１８…反発力、１９…固定子変形、２０…コイル名、２１…誘起電圧ベクトル、２２…第１固定子、２３…第１回転子、２４…第１固定子巻線、２５…第２固定子、２６…第２回転子、２７…第２固定子巻線
【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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