JP4396142B2

JP4396142B2 - 永久磁石回転電機

Info

Publication number: JP4396142B2
Application number: JP2003158442A
Authority: JP
Inventors: 茂利山口
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: JP2004364389A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ブラシレスモータ等の永久磁石回転電機は、コギングトルクを低減することが要求されている。そして、コギングトルクを低減することができるブラシレスモータが、例えば特開２０００−１３４８９３号公報に開示されている。これは、磁石を備えた回転子の極ピッチ（ピッチ角度に相当）と磁石の着磁部分の周方向長さ（磁石開角に相当）の関係を所定の範囲にすることにより、コギングトルクを低減させるというものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１３４８９３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、特開２０００−１３４８９３号公報に開示された技術は、隣接する磁石のピッチ角度と磁石開角との関係のみにより、コギングトルクが低減する関係を導き出している。しかし、コギングトルクは、固定子のティース開角によっても変化する。従って、ティース開角によっては、コギングトルクが低減しない場合もあった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、磁石のピッチ角度と磁石開角のみからではなく、さらにティース開角を考慮した関係に基づき、コギングトルクをより低減することができる永久磁石回転電機を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
本発明の永久磁石回転電機は、界磁子と、電機子とを備える。ここで、界磁子は、ｎを自然数として、界磁子コアと、該界磁子コアの表面に等ピッチに配設された若しくは該界磁子コアの内部側に周方向に対して等ピッチに埋設された１４ｎ極の永久磁石とを有する。電機子は、電機子コアと、該電機子コアに径方向に突設され巻線が巻回された１２ｎ個の電機子突設部と、該電機子突設部の先端側に形成されたティースとを有する。
【０００７】
そして、本発明の永久磁石回転電機の特徴的な構成は、隣接する前記永久磁石の周方向のピッチ角度をαとした場合における前記永久磁石の周方向角度である永久磁石開角が０．６６α±０．０５αであって、前記ティースの周方向角度であるティース開角が０．９２α±０．０５αであることである。ここで、ピッチ角度αは、界磁子の極ピッチの角度、すなわち、隣接するＮ極の磁極方向とＳ極の磁極方向との角度である。また、永久磁石開角θｍは、ピッチ角度αの（０．６６±０．０５）倍とする。ティース開角θｔは、ピッチ角度αの（０．９２±０．０５）倍とする。
【０００８】
このように、ピッチ角度αと永久磁石開角θｍとティース開角θｔとの関係を所定の関係とすることにより、確実にコギングトルクを低減することができる。そして、ピッチ角度αと永久磁石開角θｍのみの関係により定めた場合では、場合によってコギングトルクが低減できないこともあったが、本発明によれば、確実にコギングトルクを低減することができる。
【０００９】
なお、前記永久磁石回転電機は、ブラシレスモータとするとよい。この場合、前記界磁子が回転子（ロータ）となり、前記電機子が固定子（ステータ）となる。ブラシレスモータは、一般に高トルクを必要とするものに用いられることが多い。そして、コギングトルクの大きさはトルクリップルの大きさに影響を及ぼす。すなわち、高トルクを必要とするブラシレスモータに対するコギングトルクの低減の要求は非常に高まっている。そこで、本発明をブラシレスモータに適用することにより、コギングトルクの低減の要求を確実に満たすことができる。
【００１０】
また、前記永久磁石回転電機は、操舵力を補助する電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ装置）に用いられるアシスト電動機、又は、ステアリングホイールの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を可変にする車両用伝達比可変操舵装置（ＶＧＲＳ装置）に用いられる伝達比可変用電動機としてもよい。アシスト電動機及び伝達比可変用電動機は、コギングトルクがステアリングホイールの操舵フィーリングに影響を及ぼす。そこで、本発明をこれらの電動機に適用して、コギングトルクを低減することができることにより、操舵フィーリングをより良好なものとすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明を図面を参照してより詳しく説明する。
【００１２】
（ブラシレスモータの構成）
ここで、本実施形態における永久磁石回転電機として、インナーロータ型のブラシレスモータを例に挙げて説明する。図１に、ブラシレスモータの周方向の部分断面図を示す。そして、このブラシレスモータは、回転子（界磁子）１と、固定子（電機子）２と、回転軸（図示せず）とから構成される。このブラシレスモータは、１４極１２スロットの構成からなる。
【００１３】
回転子１は、回転子コア（界磁子コア）１１と、マグネット（永久磁石）１２とから構成される。回転子コア１１は、ほぼ中空円盤形状からなる複数の電磁鋼板を積層して形成されている。マグネット１２は、回転子コア１１の外周側の表面に、回転子コア１１の周方向に対して等ピッチに１４個配設されている。すなわち、隣接するマグネット１２の磁極方向に延びるｄ軸方向間の角度（ピッチ角度）αが等角度となり、回転子１の極数が１４極となる。なお、マグネット１２は、Ｎ極とＳ極が交互に配設されている。ここで、あるＮ極のマグネット１２から隣接するＮ極のマグネット１２までの角度は電気角で２π［ｒａｄ］となるので、ピッチ角度αは電気角のπ［ｒａｄ］と示す。そして、回転子１の極数が１４極であるので、ピッチ角度πは、機械角で約２５．７１４°（＝３６０°／１４）となる。ここで、マグネット１２の外周端側の周方向角度をマグネット開角θｍという。
【００１４】
固定子２は、固定子コア（電機子コア）２１と、固定子突設部（電機子突設部）２２と、ティース２３とから構成される。固定子コア２１は、外周側に配設された略中空円筒形状からなる部分である。固定子突設部２２は、固定子コア２１から内径方向に突設されており、巻線が巻回される部分である。この固定子突設部２２は、１２個配設されている。すなわち、隣接する固定子突設部２２により形成されるスロットが１２個存在することになる。そして、隣接するスロット間角度は、機械角で３０°（＝３６０°／１２）となる。ティース２３は、固定子突設部２２の内周側の先端側に配設されている部分である。そして、ティース２３は、固定子突設部２２の周方向幅より大きな幅に形成されており、内周側にいくに従って徐々に周方向幅が大きくなっている。ここで、ティース２３の内周端側の周方向角度をティース開角θｔという。なお、固定子２のティース２３と回転子１のマグネット１２との間には空隙が形成されている。
【００１５】
（コギングトルクの算出）
次に、コギングトルクの算出方法について説明する。コギングトルクは、回転子１のマグネット１２と固定子２のティース２３との空隙部分に生じる磁気エネルギーに基づき算出することができる。すなわち、数１に示す数式により空隙部分に生じる磁気エネルギーＷｇ（θ）を算出する。この数１は、それぞれのティース毎に算出する数式である。
【００１６】
【数１】

【００１７】
ここで、ｌｇは、所定のティース２３とマグネット１２との空隙の径方向の長さである。Ｌｓは、回転子１の軸方向の厚さである。μ０は、真空透磁率である。ｒｇは、所定のティース２３とマグネット１２との空隙の平均半径である。ｒは、回転子１の原点からの角度、すなわち積分角度である。Ｂｇ（θ）は、所定のティース２３とマグネット１２との空隙における磁束密度である。
【００１８】
そして、数２に示す数式により磁気エネルギーＷｇ（θ）を角度θにより偏微分することにより、回転子１の回転角度θにおけるトルクＴｃ（θ）を算出することができる。そして、トルクＴｃ（θ）の最大値Ｔｃｍａｘと最小値Ｔｃｍｉｎとの差がコギングトルクとなる。
【００１９】
【数２】

【００２０】
（マグネット開角θｍとティース開角θｔの決定方法）
次に、本実施形態における１４極１２スロットからなるブラシレスモータの場合において、コギングトルクを低減することができるマグネット開角θｍとティース開角θｔの組み合わせの決定方法について説明する。
【００２１】
まず、説明を容易にするために、図２に、回転子１のマグネット１２と固定子２のティース２３との位置関係について、横軸に機械角０°〜３６０°として示す。そして、太線により回転子１をある位置に固定した場合におけるマグネット１２による空隙に生じる磁束密度分布を示し、細線によりティース２３の位置を示す。
【００２２】
マグネット１２は、交互にＮ極とＳ極が配設されているので、縦軸方向の中央を磁束密度０とすると、Ｎ極のマグネットによる空隙磁束密度は正方向となり、Ｓ極のマグネットによる空隙磁束密度は負方向となる。また、Ｎ極又はＳ極の空隙磁束密度の横軸方向の角度がマグネット開角θｍと一致し、Ｎ極の空隙磁束密度の横軸方向の中央と隣接するＳ極の空隙磁束密度の横軸方向の中央との角度がピッチ角度πとなる。
【００２３】
ティース２３は、ティース＃１からティース＃１２までが等ピッチに位置している。そして、ティース２３の横軸方向の突出した角度がティース開角θｔとなる。そして、図２から明らかなように、ティース＃１とマグネット１２の位置関係と、ティース＃６とマグネット１２の位置関係とは、磁極方向がＮ極とＳ極とで異なるが同一位置関係となる。つまり、ティース＃１〜＃６と、ティース＃７〜＃１２とは、磁極方向を変更するのみであって、マグネット１２との位置関係は同一である。
【００２４】
次に、図３に、ティース開角θｔを０．６６π［ｒａｄ］、マグネット開角θｍを１．０５π［ｒａｄ］とした場合において、それぞれのティース２３毎に、回転子１の回転角度θに対する空隙部の磁気エネルギーＷｇ［Ｊ］を示す。なお、横軸は、基準角度０からピッチ角度（マグネット１極分）π［ｒａｄ］までを示す。また、ティース２３は、ティース＃１からティース＃６までについて示す。これは、上述したように、ティース＃１〜＃６とティース＃７〜＃１２とは、磁極方向が異なるのみ、すなわち空隙磁束密度Ｂｇの符号が反転するのみであるので、数１より空隙部の磁気エネルギーＷｇは同一となる。ここで、ティース開角θｔが０．６６π［ｒａｄ］で、マグネット開角θｍが１．０５π［ｒａｄ］の場合とは、後述するように、コギングトルクが最も低い場合の一つである。
【００２５】
そして、図３に示すように、例えば、ティース＃１の場合は、回転子１の回転角度θが基準角度０から約０．１５πまでと約０．８５πからπまでは、空隙部の磁気エネルギーＷｇが低く、回転子１の回転角度θが約０．２πから約０．８πまでは空隙部の磁気エネルギーＷｇが高くなっている。また、回転子１の回転角度θが約０．１５πから約０．２πまでは徐々に増加し、約０．８πから約０．８５πまでは徐々に減少している。そして、ティース＃２〜＃６は、ティース＃１から順次電気角で３０°ずれている。
【００２６】
次に、図４に、ティース開角θｔが０．６６π、マグネット開角θｍが１．０５πの場合において、それぞれのティース２３毎に、回転子１の回転角度θに対するトルクＴｃ［Ｎ・ｍ］を示す。このトルクＴｃは、上述したように空隙部の磁気エネルギーＷｇを回転子１の回転角度θで偏微分したものである。すなわち、図４は、図３に示す回転子１の回転角度θに対する空隙部の磁気エネルギーＷｇを回転角度θで偏微分した図となる。なお、図４は、ティース＃１〜＃６について示しており、ティース＃７〜＃１２はティース＃１〜＃６と同一である。
【００２７】
そして、図４に示すように、例えば、ティース＃１の場合は、回転子１の回転角度θが基準角度０から約０．１５πまでと、約０．２πから約０．８πまでと、約０．８５πからπまでは、トルクＴｃが０である。回転子１の回転角度θが約０．１５πから約０．２πまでは、トルクＴｃが急激に減少した後、再びトルクＴｃは０となる。また、回転子１の回転角度θが約０．８πから約０．８５πまでは、トルクＴｃが急激に増加した後、再びトルクＴｃは０となる。そして、ティース＃２〜＃６は、ティース＃１から順次電気角で３０°ずれている。
【００２８】
そして、これらのティース＃１〜＃６により発生するトルクＴｃを合計したトルクＴｃを太線により示している。このように、例えば、回転子１の回転角度θが約０．１５πから約０．２πの間（破線により囲む範囲）においては、回転角度θが約０．１５πから約０．１７πの間では正のトルクが発生し、回転角度θが約０．１８πから約０．２πの間では負のトルクが発生している。これは、回転子１の回転角度θが約０．１５πから約０．２πの間においては、ティース＃１により負のトルクＴｃが発生し、ティース＃３により正のトルクＴｃが発生しており、多くの部分で打ち消しあっていることによるものである。そして、図４に示す、ティース合計のトルクの最大値と最小値との差がコギングトルクとなる（図４の縦方向の矢印により示す）。
【００２９】
ここで、図４に示したものは、図３と同様に、コギングトルクが最も低い場合の一つである。つまり、図４から明らかなように、回転子１の回転角度θが約０．１５πから約０．２πの間においては、ティース＃１による負のトルクＴｃとティース＃３による正のトルクＴｃは、トルク０を中心として、ほぼ対称となっている。しかし、ティース開角θｔやマグネット開角θｍを変更すると、図４の白抜矢印に示す方向に、それぞれのティースにより発生するトルクがそれぞれずれていき、ティース合計は大きくなる。
【００３０】
そこで、ティース開角θｔとマグネット開角θｍを様々に変更した場合におけるコギングトルクの大きさを算出した。そして、図５に、マグネット開角θｍを０．６１π［ｒａｄ］から０．８７π［ｒａｄ］まで、ティース開角θｔを０．８５π［ｒａｄ］から１．１６π［ｒａｄ］まで変化させた場合におけるコギングトルクレベル（指標）を表形式に示したものである。また、図６は、図５の表形式をグラフ形式に示したものであり、マグネット開角θｍに対するコギングトルクレベル（指標）について、複数のティース開角θｔの場合について示す。なお、コギングトルクレベル（指標）は、最大値が２０となるようにしている。
【００３１】
図５及び図６に示すように、マグネット開角θｍが０．６６π［ｒａｄ］でティース開角θｔが０．９２π［ｒａｄ］の場合と、マグネット開角θｍが０．６６π［ｒａｄ］でティース開角θｔが１．０５π［ｒａｄ］の場合の２通りの組み合わせの場合が、コギングトルクレベルが最小の６となる。また、マグネット開角θｍが０．８４π［ｒａｄ］でティース開角θｔが０．９２π［ｒａｄ］の場合と、マグネット開角θｍが０．８４π［ｒａｄ］でティース開角θｔが１．０５π［ｒａｄ］の場合の２通りの組み合わせの場合が、コギングトルクレベルが次の小さい８となる。
【００３２】
また、上記４通りの組み合わせの場合におけるマグネット開角θｍとティース開角θｔを中心として、±０．０５π［ｒａｄ］の範囲内であれば、コギングトルクレベルは低減させることができる。より好ましくは、マグネット開角θｍは０．６６π［ｒａｄ］又は０．８４π［ｒａｄ］の±０．０３の範囲内であれば、確実にコギングトルクレベルを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブラシレスモータの周方向の部分断面図である。
【図２】マグネットとティースの位置関係を示す図である。
【図３】回転子の回転角度に対する空隙部の磁気エネルギーを示す図である。
【図４】回転子の回転角度に対するトルクを示す図である。
【図５】マグネット開角とティース開角に対するコギングトルクレベルを示す図である。
【図６】マグネット開角とティース開角に対するコギングトルクレベルを示す図である。
【符号の説明】
１・・・回転子（界磁子）
２・・・固定子（電機子）
１１・・・回転子コア（界磁子コア）
１２・・・マグネット（永久磁石）
２１・・・固定子コア（電機子コア）
２２・・・固定子突設部（電機子突設部）
２３・・・ティース

Claims

ｎを自然数として、
界磁子コアと該界磁子コアの表面に等ピッチに配設された若しくは該界磁子コアの内部側に周方向に対して等ピッチに埋設された１４ｎ極の永久磁石とを有する界磁子と、
電機子コアと該電機子コアに径方向に突設され巻線が巻回された１２ｎ個の電機子突設部と該電機子突設部の先端側に形成されたティースとを有する電機子と、
を備えた永久磁石回転電機において、
隣接する前記永久磁石の周方向のピッチ角度をαとした場合における前記永久磁石の周方向角度である永久磁石開角は０．６６α±０．０５αであって、
前記ティースの周方向角度であるティース開角は０．９２α±０．０５αであることを特徴とする永久磁石回転電機。
前記永久磁石回転電機は、ブラシレスモータであることを特徴とする請求項１記載の永久磁石回転電機。
前記永久磁石回転電機は、操舵力を補助する電動パワーステアリング装置に用いられるアシスト電動機、又は、ステアリングホイールの操舵角と転舵輪の転舵角との間の伝達比を可変にする車両用伝達比可変操舵装置に用いられる伝達比可変用電動機であることを特徴とする請求項１又は２に記載の永久磁石回転電機。