JP4193859B2 - モータおよびそのモータの通電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石による吸引力を利用したモータおよびそのモータの通電制御装置に関する。

従来から、車両の操舵輪に操舵力を付与する電動パワーステアリング装置においては、例えば、ＳＰＭモータ（表面磁石形同期モータ）が駆動装置として用いられている。そして、最近では電動パワーステアリング装置における高効率・高出力化が要求されている。
ところが、モータの高出力化を図ると、それに比例してモータロストルク、コギングトルク、モータ慣性（システム慣性）が大きくなり、この結果、ドライバーにとって操舵フィーリングが悪化してしまう。

モータのトルク変動は、操舵フィーリングに影響を与えるが、モータの電流フィードバック制御によりコントロールすることができる。しかし、モータの無通電時において発生するモータロストルクは、フィードバック制御することができないため、ハンドル戻りなどの操舵フィーリングを悪化させてしまう。
また、コギングトルクもモータの無通電時において発生するものであるため、それを抑制するようにフィードバック制御をすることができず、やはり操舵フィーリングを悪化させてしまう。
しかも、こうしたモータロストルクやコギングトルクは、モータ出力に比例して大きくなるため、特に高効率・高出力化を図る上で大きな問題となる。

更に、高出力モータは、ロータおよびステータにたくさんの磁気回路が必要となり体積が増加するとともにロータ慣性モーメントも増加する。そこで、電動パワーステアリング装置では、この慣性によるトルク変動を低減するために補償制御を行っているが、モータの時定数やセンサの性能等により完全に補償することはできない。この場合、慣性量が小さい場合にはドライバーに感じない程度に補償できるものの、慣性量が大きくなると操舵フィーリングに影響をおよぼしてしまう。

一方、特許文献１には、高出力化を図るとともにコギングトルクの低減を図ったＳＲモータ（スイッチトリラクタンスモータ）が提案されている。この特許文献１のモータは、ロータを囲むステータの内周面にコイルを巻回した突極部を内側に向けて周方向に複数配置するとともに、このコイルを巻回した突極部内に永久磁石を埋設し、コイル励磁時においてコイルによる磁束と永久磁石による磁束との合成磁束によりロータを強い磁気吸引力で吸引して高トルク化を図っている。そして、コギングトルクを低減するために、この永久磁石を突極部のロータ回転方向に対向する側に偏位した位置に埋設するとともに、その磁極面を突極部内に向けた構成を採用している。
特開２００４−２３６３６９号公報

しかしながら、この特許文献１のものにおいても、ステータの突極部に設けた永久磁石により、ステータとロータ間の横断磁束が残ってしまい、コギングトルクを良好に低減することができない。
この結果、こうしたモータを電動パワーステアリング装置に適用しても、操舵フィーリングの向上があまり得られない。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、モータの無通電時のコギングトルク等によるトルク変動を極力抑えることにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、複数の基本モジュールを回転軸方向に連結して構成され、通電制御装置により各基本モジュール毎に通電制御されるモータにおいて、上記基本モジュールは、中空円筒形状のリング体と、そのリング体の内周面で半径方向内向きに突出し周方向に等間隔に配置される偶数個の固定子磁極とを有し磁路を形成可能なステータと、所定の回転位置で上記ステータの各固定子磁極とそれぞれ向かい合う上記固定子磁極と同数の回転子磁極を半径方向外向きに突出して周方向に等間隔に配置し、上記ステータ内に上記ステータと同軸に設けられ磁路を形成可能なロータとを備えるとともに、上記ステータのリング体には、隣り合う上記固定子磁極のあいだとなる偶数個の磁極間リング磁路部に、一つおきにリング体の周方向に沿って同じ方向に磁界を発生させるように設けられる永久磁石を配置するとともに、上記永久磁石が配置されていない一つおきの磁極間リング磁路部に、上記通電制御装置により通電され上記永久磁石により発生する磁界と反対方向に磁界を発生させるコイルを巻回したものであり、上記各基本モジュールにおける固定子磁極と回転子磁極とが互いに向かい合う状態となる回転位置を基本モジュール間で略均等の位相差をつけてずらして構成したことにある。

上記のように構成した本発明によれば、ステータを形成するリング体の内周面に偶数個の固定子磁極を有し、隣り合う固定子磁極のあいだとなる磁極間リング磁路部に永久磁石とコイルとが交互に設けられる。つまり、磁極間リング磁路部は、固定子磁極の数だけ形成されるが、その一つおきに永久磁石が設けられ、永久磁石が設けられない磁極間リング磁路部にはコイルが巻回される。この永久磁石は、リング体の周方向に沿って同じ方向に磁界が発生するように設けられる。一方、コイルは、その通電時に永久磁石の磁界の向きと反対方向の磁界を発生させるように磁極間リング磁路部に巻回される。

このため、コイル無通電時においては、永久磁石にて発生する磁界によりリング状磁性体の周方向に沿って磁束が流れるのみで、固定子磁極からロータ側には磁束が漏れない。そして、コイルに通電すると、コイルの巻回された磁極間リング磁路部では、永久磁石の磁界と逆方向に磁界が発生する。従って、永久磁石で発生する磁界における磁束とコイルにより発生する磁界における磁束とが合わさって固定子磁極からロータの回転子磁極に流れる。つまり、永久磁石で発生した磁界は、コイルにより発生した反対方向の磁界に押し戻されて、磁極間リング磁路部→固定子磁極→回転子磁極→ロータ磁性体→隣の回転子磁極→隣の固定子磁極→磁極間リング磁路部という磁束の流れを生み出す。同様に、コイルで発生した磁界は、永久磁石で発生する反対方向の磁界に押し戻されて、磁極間リング磁路部→固定子磁極→回転子磁極→ロータ磁性体→隣の回転子磁極→隣の固定子磁極→磁極間リング磁路部という磁束の流れを生み出す。

このため、コイル無通電時には磁極間（固定子磁極と回転子磁極との間）の磁束の流れが極力抑えられてコギングトルクとロストルクの発生を防止することができる。
従って、本発明によれば無通電時におけるトルク変動を極力抑えることができる。

本発明の他の特徴は、上記ロータがその回転軸を中心として軸対称形状であることにある。
これによれば、ロータの軸直角方向に発生する力のアンバランスが防止され、騒音と振動とを低減することができる。

本発明の他の特徴は、上記ステータおよび上記ロータが軟磁性体で構成されることにある。
これによれば、モータの効率（入力エネルギーに対する出力エネルギーの比）を向上させることができる。

本発明の他の特徴は、上記ステータおよび上記ロータが厚さ１ｍｍ以下の電磁鋼板を積層して形成されることにある。
本発明においては、ステータおよびロータにおける磁束の流れをコントロールすることを特徴としているため、うず電流損とヒステリシス損との低減が重要となるが、この構成によれば、うず電流損とヒステリシス損とを良好に低減することができ高いモータ効率が得られる。

本発明の他の特徴は、上記向かい合う固定子磁極と回転子磁極との間のエアギャップは、両磁極が真正面に向かい合っている状態において、磁極中心から周方向に離れるほど、そのギャップ長が大きくなるように形成されていることにある。
この場合、上記向かい合う固定子磁極および回転子磁極の先端面は、円筒面の一部を形成する湾曲面であって、上記固定子磁極あるいは上記回転子磁極の一方の先端面を形成する円筒面中心位置を回転中心軸位置から径方向に偏芯させることにより、上記ギャップ長が磁極中心から周方向に離れるほど大きくなるように形成するとよい。

これによれば、ロータの移動量に対するトルク変化をなだらかに、かつフラットにすることできる。つまり、ロータの回転に伴って回転子磁極と固定子磁極とが接近・離間するが、回転子磁極と固定子磁極とが向かい合って相対移動するときのトルク変化が低減され、トルク変動の少ないモータとなる。

本発明の他の特徴は、上記ステータのリング体は、上記固定子磁極が設けられる位置の外周面に、半径方向内向きに窪んだ切り欠き溝を形成したことにある。

これによれば、永久磁石で発生する磁界をコイルの磁界で押し戻すときに、切り欠き溝が磁束の流れを固定子磁極側に案内するため、コイル通電時にはロータ側に良好に磁束を流すことが可能となり、効率よく磁極間の吸引力を発生させることができる。また、リング体の軽量化にも繋がる。

本発明の他の特徴は、上記永久磁石が配設される磁極間リング磁路部の軸中心からの径に対して、上記コイルが巻回される磁極間リング磁路部の軸中心からの径を大きくしたことにある。

これによれば、永久磁石の配設される磁極間リング磁路部とコイルの巻回される磁極間リング磁路部とで軸中心からの径に差が設けられているため、リング体の周方向に流れる永久磁石の磁束をコイル通電時において固定子磁極側に案内しやすくなる。この結果、コイル通電時にはロータ側に良好に磁束を流すことが可能となり、効率よく磁極間の吸引力を発生させることができる。
しかも、コイルが巻回される磁極間リング磁路部の径が、永久磁石が配設される磁極間リング磁路部の径よりも大きいため、リング体内側におけるコイルの巻回スペースを大きく確保することができる。このため、銅損の低減が可能になる。

本発明の他の特徴は、３組以上の基本モジュールを回転軸方向に連結するとともに、各基本モジュール間にエアギャップを設けたことにある。

これによれば、各基本モジュール間における磁束漏れが防止され、トルク変動を低減することができる。

本発明の他の特徴は、上記モータを通電制御する通電制御装置であって、上記ロータの回転角度を検出する回転角センサと、基本モジュールの組数をｎ、各基本モジュールの磁極数をｍ、１／ｍ回転を電気角３６０°として、上記検出した回転角度に基づいて、基本モジュールごとの上記コイルへの通電タイミングを、３６０°／ｎだけ電気角に位相差を設けて通電する通電手段とを備えたことにある。

これによれば、各基本モジュールのコイルに所定の位相差を設けて、所定の回転角度のあいだ通電することで、本発明のモータを時計方向にも反時計方向にも良好に駆動することができる。

本発明の他の特徴は、当該モータが車両の操舵輪に操舵力を付与する電動パワーステアリング装置の駆動装置として用いられることにある。
これによれば、無通電時のトルク変動が極力少ないモータを電動パワーステアリング装置に用いるため、ドライバーの操舵フィーリングが向上する。

以下、本発明の一実施形態に係るモータおよびその通電制御装置について図面を用いて説明する。図３に示すように、本実施形態のモータ１は、３つの基本モジュール１０（第１モジュール１０Ａ、第２モジュール１０Ｂ、第３モジュール１０Ｃ：これらを総称して基本モジュール１０と呼ぶ）を軸方向に連結して構成されるものであり、後述の電動パワーステアリング装置の駆動装置として用いられる。そこで、まず、基本モジュール１０から説明する。
図１は、実施形態としてのモータ１を構成する基本モジュール１０を表す。
この基本モジュール１０は、モータケーシング１１に固定されるステータ２０と、ステータ２０内でシャフト１２を回転軸として回転可能に設けられるロータ３０とを備える。

ステータ２０は、中空円筒形状のリング体２１と、そのリング体２１の内周面で半径方向内向きに突出し周方向に等間隔に配置される４つの固定子磁極２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄとを一体的に形成したものである。このステータ２０は、磁路を形成可能にするもので、本実施形態においては所定形状にプレス加工した電磁鋼板（軟磁性材料を使った厚さ１ｍｍ以下の電磁鋼板）を軸方向に積層して中空円筒形状に形成される。
各固定子磁極２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄは、ティース状に形成され、その先端がリング体２１と同一中心の円筒面上に位置するように等間隔で配置される。

リング体２１には、固定子磁極２２ａと固定子磁極２２ｂとの間となる磁極間リング磁路部２３ａｂ、および、固定子磁極２２ｃと固定子磁極２２ｄとの間となる磁極間リング磁路部２３ｃｄに、それぞれ永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄが密着して埋設される。この２つの永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄは、リング体２１の周方向に沿って同じ方向（円周上における同一方向）に磁界を発生させるような向き、つまり、一方の永久磁石２４ａｂのＳ極と他方の永久磁石２４ｃｄのＮ極とがリング磁路上で向かい合いあうように配置される。本実施形態においては、図１において、反時計方向に磁界を発生させるように配置される。
また、永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄが埋設されていない磁極間リング磁路部、つまり、固定子磁極２２ａと固定子磁極２２ｄとの間となる磁極間リング磁路部２３ａｄ、および、固定子磁極２２ｂと固定子磁極２２ｃとの間となる磁極間リング磁路部２３ｂｃには、それぞれコイル２５ａｄ，２５ｂｃが巻回される。この２組のコイル２５ａｄ，２５ｂｃは、通電時において、どちらも永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄにより発生する磁界の向きと反対方向に磁界を発生させるように巻回される。本実施形態においては、図１において、時計方向に磁界を発生させるようにコイル２５ａｄ，２５ｂｃが巻回される。尚、コイル２５ａｄ，２５ｂｃの通電制御回路については後述する。

こうして、リング体２１には、４つの固定子磁極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄの間の磁路となる磁極間リング磁路部２３ａｂ，２３ｂｃ，２３ｃｄ，２３ａｄに、永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄとコイル２５ａｄ，２５ｂｃとが交互に設けられる。
以下、２つの永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄを特に区別しない場合には単に永久磁石２４と呼び、２組のコイル２５ａｄ，２５ｂｃを特に区別しない場合には単にコイル２５と呼び、４つの磁極間リング磁路部２３ａｂ，２３ｂｃ，２３ｃｄ，２３ａｄを特に区別しない場合には単に磁極間リング磁路部２３と呼び、４つの固定子磁極２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを特に区別しない場合には単に固定子磁極２２と呼ぶことにする。

この固定子磁極２２の数は４に限らず偶数個であればよい。従って、リング体２１は、隣り合う固定子磁極２２のあいだとなる偶数個の磁極間リング磁路部２３に、一つおきにリング体２１の周方向に沿って磁界を発生させるように設けられる永久磁石２４を配置するとともに、永久磁石２４が配置されていない一つおきの磁極間リング磁路部２３に、永久磁石２４により発生する磁界と反対方向に磁界を発生させるコイル２５を巻回した構成といえる。
永久磁石２４には、ネオジ系のマグネットが使用される。そして、この２つの永久磁石２４の磁力のみでリング体２１に飽和磁束の９０％以上の磁束が確保されるように永久磁石２４の磁力が設定される。

一方、ロータ３０は、モータケーシング１１に回転可能に設けられたシャフト１２に固着される円柱形状の中央磁路部３１と、中央磁路部３１の外周から半径方向外向きに突出して周方向に等間隔に配置される４つの回転子磁極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとを一体形成して回転軸対称形状にしたもので、その軸心はステータ２０の軸心と同一となっている。このロータ３０もステータ２０と同様に磁路を形成可能にしたもので、本実施形態においては所定形状にプレス加工した電磁鋼板（軟磁性材料を使った厚さ１ｍｍ以下の電磁鋼板）を軸方向に積層して形成される。以下、４つの回転子磁極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄを特に区別しない場合には単に回転子磁極３２と呼ぶ。
回転子磁極３２は、ティース形状であり、固定子磁極２２と同数設けられ、ロータ３０が所定の回転角度に位置するときに、各回転子磁極３２と固定子磁極２２とが互いに向き合うことになる。

この基本モジュール１０においては、固定子磁極２２と回転子磁極３２との間に所定のエアギャップが形成される。このエアギャップは、ステータ２０の外径が１００ｍｍ以下の基本モジュール１０においては、その平均ギャップ長が０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下にすることが好ましい。

次に、この基本モジュール１０における作動原理について説明する。
図２は、磁気解析結果を表すもので、（ａ）はコイル無通電時における磁束分布を、（ｂ）はコイル通電時における磁束分布を表す。尚、この図２の磁気解析結果は、図１に示す形状の基本モジュール１０のものと磁極サイズがやや異なるものにおける解析結果であるが、図１に示す基本モジュール１０においても同様の結果が得られる。
図２（ａ）に示すように、コイル無通電時においては、永久磁石２４で発生した磁界により、リング体２１の周方向に沿って磁束が通るリング状磁気回路が形成される。このため、固定子磁極２２からロータ３０側には磁束が漏れない。
従って、この状態においては、モータロストルクやコギングトルクは、ほとんど発生しない。

そして、２組のコイル２５に同時通電すると、図２（ｂ）に示すように、コイル２５の巻回された各磁極間リング磁路部２３では、永久磁石２４の磁界と逆方向に磁界が発生し、リング体２１を周方向に流れていた永久磁石２４の磁束の向きが変わる。こうして、永久磁石２４で発生する磁界における磁束とコイル２５により発生する磁界における磁束とが合わさって固定子磁極２２からロータ３０の回転子磁極３２に流れる。
つまり、一方の永久磁石２４ａｂで発生した磁界は、その磁界の向きに隣り合うコイル２５ａｄにより発生した反対方向の磁界に押し戻されて、磁極間リング磁路部２３ａｄ→固定子磁極２２ａ→回転子磁極３２ａ→ロータ中央磁路部３１→回転子磁極３２ｂ→固定子磁極２２ｂ→磁極間リング磁路部２３ａｂという磁束の流れを生み出す。同様に、他方の永久磁石２４ｃｄで発生した磁界は、その磁界の向きに隣り合うコイル２５ｂｃにより発生した反対方向の磁界に押し戻されて、磁極間リング磁路部２３ｃｄ→固定子磁極２２ｃ→回転子磁極３２ｃ→ロータ中央磁路部３１→回転子磁極３２ｄ→固定子磁極２２ｄ→磁極間リング磁路部２３ｃｄという磁束の流れを生み出す。

また、一方のコイル２５ａｄで発生した磁界は、その磁界の向きに隣り合う永久磁石２４ａｂにより発生する反対方向の磁界に押し戻されて、磁極間リング磁路部２３ａｄ→固定子磁極２２ａ→回転子磁極３２ａ→ロータ中央磁路部３１→回転子磁極３２ｄ→固定子磁極２２ｄ→磁極間リング磁路部２３ａｄという磁束の流れを生み出す。同様に、他方のコイル２５ｂｃで発生した磁界は、その磁界の向きに隣り合う永久磁石２４ｃｄにより発生する反対方向の磁界に押し戻されて、磁極間リング磁路部２３ｂｃ→固定子磁極２２ｃ→回転子磁極３２ｃ→ロータ中央磁路部３１→回転子磁極３２ｂ→固定子磁極２２ｂ→磁極間リング磁路部２３ｂｃという磁束の流れを生み出す。

従って、この基本モジュール１０によれば、永久磁石２４とコイル２５の両方の磁力を有効利用して磁極間（固定子磁極２２と回転子磁極３２との間）に大きな磁束を流すことができ、小型であっても高い吸引力を発生させることができる。しかも、ロータ３０には永久磁石もコイルも設けていないため、ＤＣブラシレスモータ，ＳＰＭモータ，ＩＰＭモータ（埋め込み磁石形同期モータ）に比べてはるかに低慣性にすることができる。
また、ロータ３０は、偶数個の回転子磁極３２を等間隔で配置して軸対称形状に形成されるため、軸直角方向に発生する力の合力を０にすることができ、騒音や振動の発生を抑えることができる。更に、ロータ３０の回転に対して全ての磁極間で等しい周期で吸引力を発生させることができる。
また、ロータ３０およびステータ２０を軟磁性体により形成することによりモータ効率を向上させることができる。
更に、本実施形態における固定子磁極２２および回転子磁極３２は、その先端形状が軸方向から見て左右対称に形成される。従って、吸引力の大きさが固定子磁極２２の中心に対して左右対称となるため、モータを時計方向、反時計方向のどちらに回転させても同じ特性が得られ、左右方向に車輪を転舵する電動パワーステアリング装置のモータに適した基本モジュールとなる。

また、磁極間のエアギャップ長を０．２ｍｍ以上にすることでコイル２５の無通電時におけるロータ３０側への磁束漏れを防止することができ、リング体２１の断面積を最小にすることができる。また、エアギャップを１．５ｍｍ以下にすることにより、吸引力のなだらかな変化と吸引力の大きさのバランスが最適となり、コイル２５に微小電流を流した時の磁束量のコントロールが容易となる。

また、基本モジュール１０を構成する軟磁性体は、厚さ１ｍｍ以下の電磁鋼板を軸方向に積層して構成されるため、うず電流損とヒステリシス損とを良好に低減することができ高いモータ効率が得られる。つまり、この基本モジュール１０においては、磁束の流れをコントロールすることを特徴としているため、うず電流損とヒステリシス損との低減が重要課題となるが、厚さ１ｍｍ以下の薄い電磁鋼板を用いることで、こうした課題に対応することができる。

更に、リング体２１に埋設する永久磁石２４として、ネオジ系のマグネットを用いているため、強い磁力が得られ小型化を図ることができる。
この基本モジュール１０においては、永久磁石２４の磁束の流れをコイル２５の通電により回転子磁極３２方向に変更するために、リング体２１を磁束飽和付近で使用することが必須となる。また、コイル２５で有効に発生させることができる磁束密度は永久磁石２４の磁力に比例するため、結果としてステータ２０の体格は２×（磁力の２乗）に反比例する。
従って、強い磁力が発生するネオジ系のマグネットを用いることで小型化を図ることができ、コイル電流が小さいときにおいてもロータ３０の吸引力を発生させることができる。

次に、こうした基本モジュール１０を３組連結した本実施形態のモータ１について説明する。
このモータ１は、図３に示すように、第１モジュール１０Ａ、第２モジュール１０Ｂ、第３モジュール１０Ｃを軸方向に連結したもの、つまり、共通の回転軸となるシャフト１２に各基本モジュール１０のロータ３０を固定して連結したものである。
本実施形態においては、モータ１を構成する基本モジュール１０の数を３とするが、なんらその数に限定するものではない。電動パワーステアリング装置で用いる場合には、基本モジュール数が３以上であることが好ましい。

図４に示すように、各基本モジュール１０のロータ３０は、その回転子磁極３２の向きをそろえて共通のシャフト１２に固定される。
一方、各基本モジュール１０のステータ２０は、その固定子磁極２２の回転方向に対する位置（機械角）を３０°ずつずらしてモータケーシング１１に固定される。つまり、ロータ３０の回転に対して、各基本モジュール１０が等配に（等しい回転角周期で）吸引力を発生するように回転方向に対する位相がずらしてある。その位相差は、
３６０°／（基本モジュールの磁極数×基本モジュールの数）となる。
本実施形態においては、基本モジュールの磁極数＝４、基本モジュール数＝３であるため、各基本モジュールの位相差は３０°となる。
尚、この位相差は、吸引力が等配になるように設ける、つまり、ロータ３０が回転したときに基本モジュール全体として磁極間の吸引力が所定回転角度ごとに発生するように設けるのであって、基本モジュール１０間における磁極の位置が等間隔である必要はない。
従って、基本モジュール１０間においてロータ３０の位相をずらすようにしてもよいし、ステータ２０とロータ３０との両方の位相をずらすようにしてもよい。

このように複数の基本モジュール１０を磁極の位相を等間隔ずらして設けることで、ロータ３０の回転角および回転角速度によらず常にトルクを発生させることができる。つまり、１つの基本モジュール１０だけでモータを構成した場合には、ロータ３０の停止している回転角度によっては、モータを起動できないケースがあるが、各基本モジュール１０の回転方向に対する磁極の位相を吸引力が等配に発生するようにずらしているため、そうした不具合は生じない。従って、電動パワーステアリング装置のように、モータ回転角速度が０、つまり、停止している状態（保舵時）からでも回転トルクを発生させることができる。

また、隣接する基本モジュール１０間には、図３に示すように、エアギャップＧが設けられる。このエアギャップＧにより各基本モジュール１０間での磁束漏れが防止されトルク変動が低減される。

また、モータ１のシャフト１２には、ロータ３０の回転角度（機械角）を検出する回転角センサ１４が設けられる。
このモータ１には、図７に示すように、各基本モジュール１０のコイル２５を通電制御する通電制御装置４０が接続される。
通電制御装置４０は、マイクロコンピュータを主要部として構成されモータ制御量（通電量）を演算するモータコントローラ４１と、モータコントローラ４１からの制御信号により電源装置Ｂから各コイル２５に通電するスイッチング部４２とから構成される。
モータコントローラ４１は、図１７に示す操舵ハンドル５１の操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ５８からのトルク信号Ｔｒと、図示しない車速センサからの車速信号Ｖとを入力して電動パワーステアリング装置として必要なアシストトルクに対応する目標通電量を演算するとともに、回転角センサ１４の回転角信号θに基づいて各コイル２５への通電タイミングを決定する。
スイッチング部４２は、電源装置Ｂと各基本モジュール１０ごとのコイル２５との間に設けられるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を設けたものである。このスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。
尚、図８に示すように、６つのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を使ったスイッチング部４３を構成してもよい。

次に、通電制御装置４０によるモータ１の通電制御について説明する。ここでは、本発明において特徴となる基本モジュール１０ごとのコイル２５の通電タイミングについて説明し、電動パワーステアリング装置としてのアシストトルクに応じた通電量制御については特徴ではないためその説明を省略し、一定の通電量として説明する。

図６は、基本モジュール１０における固定子磁極２２に対する回転子磁極３２の動きを展開した図である。
第１モジュール１０Ａの固定子磁極２２の中心線に回転子磁極３２の中心線が一致した回転角度を電気角０°とし、ロータ３０を時計方向に回して次に中心線同士が一致した回転角度を電気角３６０°とする。従って、磁極数がｍの場合には、機械角３６０°／ｍが電気角３６０°に相当する。この実施形態においては、機械角９０°が電気角３６０°に相当する。

図９は、時計方向にロータ３０を回転させる場合の、各基本モジュール１０におけるコイル２５の通電タイミングを表す。
図示するように、第１モジュール１０Ａのコイル２５の通電タイミングは、電気角１８０°〜３６０°とする。第２モジュール１０Ｂのコイル２５の通電タイミングは、第１モジュール１０Ａの通電タイミングに対して、（３６０°／基本モジュールの数ｎ）の位相分だけ電気角を移動させる。この例では、ｎ＝３であるため、１２０°だけ電気角の位相差を設ける。第３モジュール１０Ｃにおいては、第２モジュール１０Ｂに対して同量の位相差を設ける。
こうしたコイルへの通電は、矩形波状に行う。

図１０は、反時計方向にロータ３０を回転させる場合の、各基本モジュール１０におけるコイル２５の通電タイミングを表す。
第１モジュール１０Ａのコイルの通電タイミングは、電気角０°〜１８０°とする。
また、第２モジュール１０Ｂにおいては、第１基本モジュール１０Ａに対して３６０°／ｎの位相分だけ電気角を移動させる。同様に、第３モジュール１０Ｃにおいては、第２基本モジュール１０Ｂに対して同量の位相差を設ける。

このようにモータ回転角度に対して所定のタイミングで各基本モジュール１０のコイル２５に所定の回転角度のあいだ通電することで、時計方向にも反時計方向にも任意にトルクを発生させることができる。
尚、各コイル２５に流す電流量は、スイッチング部４２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のデューティ比を調整して行う。つまり、上述したモータ回転角度に応じた矩形波通電中においては、その矩形波通電周期に対して非常に速い周期でスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３をオンオフさせ、そのオンデューティ比を調整することでコイル電流値を変更する。

尚、コイル２５への通電は、図１１に示すように、台形波にしてもよい。つまり、コイル２５への通電期間における最初と最後の一定期間において、所定の速度で電流値を変化（増加、減少）させるようにする。この場合、基本モジュール１０間で電流の立ち上がり部と電流の立下り部とをオーバーラップさせる。
これによれば、電流の立ち上がり部分を傾斜させることにより、磁束変化が低減されるため、効率が向上する。

図５は、時計方向に回転させたときのモータ回転角に対する基本モジュール１０で発生するトルクの推移を表し、（ａ）は第１モジュール１０Ａで発生するトルク、図５（ｂ）は各モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃで発生するトルクおよびその合成トルクを表す。
この図からわかるように、各モジュール１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃで発生するトルクを加算することにより、どのモータ回転角においても一定のトルクが得られる。

以上説明したモータ１および通電制御装置４０は、車両の電動パワーステアリング装置の駆動装置として適用される。この電動パワーステアリング装置は、図１７に示すように、ドライバーにより回動操作される操舵ハンドル５１と、操舵ハンドル５１に固定されるステアリングシャフト５２と、車体の車幅方向に変位可能なラックバー５３と、ステアリングシャフト５２の回転運動をラックバー５３に伝達するラックアンドピニオン機構５４と、ラックバー５３の左右運動を車輪Ｗのナックルアーム５５に伝達するタイロッド５６とからなるステアリング機構５０において操舵アシストトルクを付与するもので、ステアリングシャフト５２に設けられた減速ギヤ５７と、この減速ギヤ５７に噛合してステアリングシャフト５２に回転トルクを与えるモータ１と、ステアリングシャフト５２に働く操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ５８と、このモータ１を通電制御する通電制御装置４０とから構成される。

上述したように、この電動パワーステアリング装置において使用されるモータ１は、高出力化を図っても、ロストルク、コギングトルクがなく、モータ慣性を小さく抑えることができる。また、基本モジュール１０を複数組み合わせることで駆動中におけるトルク変動も小さい。この結果、この電動パワーステアリング装置によれば、高出力・高効率化を図っても、ドライバーにとって操舵フィーリングの悪化を招かない。

次に、各構成の変形例について説明する。
まず、各基本モジュール１０における回転子磁極３２および固定子磁極２２の先端形状の変形例について説明する。
図１２は、変形例としての回転子磁極１３２および固定子磁極１２２の先端部を正面から軸方向に見た図である。この変形例においては、向かい合う回転子磁極１３２と固定子磁極１２２との間に形成されるエアギャップのギャップ長が、磁極中心線から周方向に離れるにしたがって大きくなるように構成される。
この例では、固定子磁極１２２の先端面は、ロータ３０の回転軸中心Ｏ１と同一軸中心で半径Ｒ１の円筒面の一部となる湾曲面に構成される。一方、回転子磁極１３２の先端面は、ロータ３０の回転軸中心Ｏ１よりも径方向に距離δだけ外側（当該回転子磁極方向）に偏芯した中心Ｏ２を軸中心とした半径Ｒ２の円筒面の一部となる湾曲面に構成される。

これによれば、ロータ３０の移動量に対するトルク変化をなだらかに、かつフラットにすることできる。つまり、ロータ３０の回転に伴って回転子磁極１３２と固定子磁極１２２とが接近・離間するが、回転子磁極１３２と固定子磁極１２２とが向かい合って相対移動するときのトルク変化が少なくなる。
例えば、図５（ａ）のトルク特性で示すと、最大トルクが得られる領域ａをフラットにすることができる。
この結果、トルク変動の少ないモータを構成することができる。
尚、この変形例においては、回転子磁極１３２の先端表面の湾曲度合いを大きくしているが、例えば、逆に、固定子磁極の先端表面の湾曲度合いを小さくするようにしてもよい。つまり、固定子磁極の表面を形成する湾曲面を、ロータ３０の回転軸中心Ｏ１から当該固定子磁極より離れる方向に偏芯した位置に軸中心を有する円筒面の一部となるように構成してもよい。また、固定子磁極の先端面のみを平坦面にしてもよい。

次に、各基本モジュール１０における回転子磁極３２あるいは固定子磁極２２の先端肩部形状の変形例について説明する。
図１３は、３つの変形例としての回転子磁極２３２，３３２，４３２を表すもので、夫々その先端部を正面から軸方向に見た図である。
図１３（ａ）に示す回転子磁極２３２は、その先端肩部を断面円弧状にカットして湾曲面Ｐ１（半径Ｒの円筒面の一部となる湾曲面）に形成したものである。この湾曲面Ｐ１の半径Ｒは、回転子磁極２３２の中央側先端表面を形成する湾曲面（円筒面の一部となる湾曲面）の半径に比べて非常に小さいものとなる。
図１３（ｂ）に示す回転子磁極３３２は、その先端肩部を面取り加工して傾斜面Ｐ２を形成したものである。図１３(ｃ)に示す回転子磁極４３２は、その先端肩部を２段に面取り加工して傾斜面Ｐ３，Ｐ４を形成したものである。
こうした変形例によれば、ロータ３０の回転移動量に対する吸引力変化の立ち上がり部分の特性を適切なものにすることができる。

例えば、図５（ａ）のトルク特性において、トルク立ち上がり部分ｂの傾斜状態を、磁極先端肩部の形状により調整することができる。このトルクの立ち上がり部分は、各基本モジュール１０を組み合わせた場合のトルクの発生期間の重なり部分となるため、トルク変動を抑えるためには、このトルク立ち上がり特性の調整は重要となる。そこで、この実施形態においては、回転子磁極２２の先端肩部を所定形状にカットすることで、適正なトルク特性が得られ、トルク変動の少ないモータを構成することが可能となる。
尚、先端肩部の形状は、この例に限るものではなく、複数の湾曲面を組み合わせて形成したり、３段以上の面取り加工を施したり、それらを組み合わせるようにしてもよい。
また、固定子磁極２２の先端肩部を所定形状にカットするようにしてもよい。あるいは、回転子磁極３２と固定子磁極２２の両方の先端肩部を所定形状にカットするようにしてもよい。

次に、各基本モジュール１０におけるステータ２０のリング体２１の変形例について説明する。
図１４は、変形例としてのステータ２０の固定子磁極２２形成部を表し、（ａ）は第１変形例、（ｂ）は第２変形例である。
どちらの変形例も、リング体２１における固定子磁極２２が設けられる位置の外周面に、半径方向内向きに窪んだ切り欠き溝２６，２７を軸方向に沿って形成したものである。
第１変形例では、その切り欠き溝２６は、２つの傾斜面２６ａ，２６ｂにより囲まれる断面Ｖ字形状の空間となる。また、第２変形例では、その切り欠き溝２７は、２つの湾曲面２７ａ，２７ｂ（半径Ｒの円筒表面の一部を構成する湾曲面）により囲まれる断面略Ｖ字形状の空間となる。
尚、どちらの変形例においても、切り欠き溝２６，２７の中心を固定子磁極２２の中心線上に略一致させるとよい。

この変形例によれば、永久磁石２４で発生する磁界をコイル２５の磁界で押し戻すときに、切り欠き溝２６を形成する傾斜面２６ａ，２６ｂあるいは切り欠き溝２７を形成する湾曲面２７ａ，２７ｂが磁束の流れを固定子磁極２２側に案内するため、コイル通電時にはロータ３０側に良好に磁束を流すことが可能となり、効率よく磁極間の吸引力を発生させることができる。また、リング体２１の軽量化を図ることができる。

次に、各基本モジュール１０におけるリング体２１の変形例について図１５、図１６を用いて説明する。
この変形例のリング体１２１は、そのリング径（内径および外径）を固定子磁極２２を境に変更するもので、永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄが埋設される磁極間リング磁路部２３ａｂ，２３ｃｄの外径Ｒ１に対して、コイル２５ａｄ，２５ｂｃが巻回される磁極間リング磁路部２３ａｄ，２３ｂｃの外径Ｒ２を大きくしたものである。この場合、各磁極間リング磁路部２３の径方向幅は等しいため、内径についても、磁極間リング磁路部２３ａｂ，２３ｃｄの内径に対して磁極間リング磁路部２３ａｄ，２３ｂｃの内径が大きく形成される。つまり、このリング体１２１は、各磁極間リング磁路部２３の径方向幅の中心を周方向に結ぶラインのロータ回転軸中心からの距離をリング径として、そのリング径が固定子磁極２２を境に所定長相違するように形成される。

これによれば、永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄの配設される磁極間リング磁路部２３ａｂ，２３ｃｄとコイル２５ａｄ，２５ｂｃの巻回される磁極間リング磁路部２３ａｄ，２３ｂｃとで軸中心からの径に差が設けられているため、リング体１２１の周方向に流れる永久磁石２４の磁束をコイル通電時において固定子磁極２２側に案内しやすくなる。この結果、コイル通電時にはロータ３０側に良好に磁束を流すことが可能となり、効率よく磁極間の吸引力を発生させることができる。
しかも、コイル２５ａｄ，２５ｂｃが巻回される磁極間リング磁路部２３ａｄ，２３ｂｃの径が、永久磁石２４ａｂ，２４ｃｄが配設される磁極間リング磁路部２３ａｂ，２３ｃｄの径よりも大きいため、リング体１２１の内側におけるコイル２５の巻回スペースを大きく確保することができる。つまり、リング体１２１の内側にはロータ３０が設けられることから、コイル２５を設けるスペースの制限が厳しいが、この変形例によれば、そうした問題も解決することができる。

以上、本実施形態のモータおよびその通電制御装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態では、電動パワーステアリング装置への適用について説明しているが、それに限るものではなく、種々の機器等に適用できるものである。
また、基本モジュールの数や磁極数についても任意に設定できるものである。

実施形態にかかる基本モジュールの径方向断面図である。 基本モジュールにおける磁束分布を表す説明図である。 モータの概略構成図である。 各基本モジュールの位相差を表す説明図である。 モータ回転角に対するトルク特性を表す説明図である。 固定子磁極と回転子磁極との位置関係を表す説明図である。 通電制御装置の概略構成図である。 変形例にかかる通電制御装置の概略構成図である。 時計方向回転時における基本モジュールごとの通電タイミングを表す説明図である。 反時計方向回転時における基本モジュールごとの通電タイミングを表す説明図である。 変形例にかかる通電波形を表す説明図である。 変形例にかかる磁極間のエアギャップ形状を表す説明図である。 変形例にかかる磁極先端形状を表す説明図である。 変形例にかかるリング体に形成される切り欠き溝を表す説明図である。 変形例にかかるリング体の部分拡大図である。 変形例にかかる基本モジュールの径方向断面図である。 電動パワーステアリング装置の概略構成図である。

符号の説明

１…モータ、１０…基本モジュール、１０Ａ…第１モジュール、１０Ｂ…第２モジュール、１０Ｃ…第３モジュール、２０…ステータ、２１，１２１…リング体、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，１２２…固定子磁極、２３ａｂ，２３ｂｃ，２３ｃｄ，２３ａｄ…磁極間リング磁路部、２４ａｂ，２４ｃｄ…永久磁石、２５ａｄ，２５ｂｃ…コイル、２６，２７…切り欠き溝、３０…ロータ、３１…中央磁路部、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，１３２，２３２，３３２，４３２…回転子磁極、４０…通電制御装置。

Claims (11)

1. 複数の基本モジュールを回転軸方向に連結して構成され、通電制御装置により各基本モジュール毎に通電制御されるモータにおいて、
   上記基本モジュールは、
   中空円筒形状のリング体と、そのリング体の内周面で半径方向内向きに突出し周方向に等間隔に配置される偶数個の固定子磁極とを有し磁路を形成可能なステータと、
   所定の回転位置で上記ステータの各固定子磁極とそれぞれ向かい合う上記固定子磁極と同数の回転子磁極を半径方向外向きに突出して周方向に等間隔に配置し、上記ステータ内に上記ステータと同軸に設けられ磁路を形成可能なロータと
   を備えるとともに、
   上記ステータのリング体には、隣り合う上記固定子磁極のあいだとなる偶数個の磁極間リング磁路部に、一つおきにリング体の周方向に沿って同じ方向に磁界を発生させるように設けられる永久磁石を配置するとともに、上記永久磁石が配置されていない一つおきの磁極間リング磁路部に、上記通電制御装置により通電され上記永久磁石により発生する磁界と反対方向に磁界を発生させるコイルを巻回したものであり、
   上記各基本モジュールにおける固定子磁極と回転子磁極とが互いに向かい合う状態となる回転位置を基本モジュール間で略均等の位相差をつけてずらして構成したことを特徴とするモータ。
2. 上記ロータは、その回転軸を中心として軸対称形状であることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 上記ステータおよび上記ロータは、軟磁性体で構成されることを特徴とする請求項２に記載のモータ。
4. 上記ステータおよび上記ロータは、厚さ１ｍｍ以下の電磁鋼板を積層して形成されることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 上記向かい合う固定子磁極と回転子磁極との間のエアギャップは、両磁極が真正面に向かい合っている状態において、磁極中心から周方向に離れるほど、そのギャップ長が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のモータ。
6. 上記向かい合う固定子磁極および回転子磁極の先端面は、円筒面の一部を形成する湾曲面であって、上記固定子磁極あるいは上記回転子磁極の一方の先端面を形成する円筒面中心位置を回転中心軸位置から径方向に偏芯させることにより、上記ギャップ長が磁極中心から周方向に離れるほど大きくなるように形成したことを特徴とする請求項５に記載のモータ。
7. 上記ステータのリング体は、上記固定子磁極が設けられる位置の外周面に、半径方向内向きに窪んだ切り欠き溝を形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のモータ。
8. 上記永久磁石が配設される磁極間リング磁路部の軸中心からの径に対して、上記コイルが巻回される磁極間リング磁路部の軸中心からの径を大きくしたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のモータ。
9. ３組以上の基本モジュールを回転軸方向に連結するとともに、各基本モジュール間にエアギャップを設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のモータ。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のモータを通電制御する通電制御装置であって、
    上記ロータの回転角度を検出する回転角センサと、
    基本モジュールの組数をｎ、各基本モジュールの磁極数をｍ、１／ｍ回転を電気角３６０°として、上記検出した回転角に基づいて、基本モジュールごとの上記コイルへの通電タイミングを、３６０°／ｎだけ電気角に位相差を設けて通電する通電手段と
    を備えたことを特徴とする通電制御装置。
11. 車両の操舵輪に操舵力を付与する電動パワーステアリング装置の駆動装置として用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載のモータ。

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