JP5920637B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の回転子に関する。

回転子の極を永久磁石から構成する回転電機の設計分野では、永久磁石の材料となる例えば希土類元素などの希少材料の使用量の削減が求められている。このための設計手法の一つとして、周方向へ間隔を空けて並ぶ複数の永久磁石によって回転子の極を構成することが考えられている。これによれば、リング状の永久磁石によって回転子の極を構成する場合と比べて、各極間の永久磁石の使用量を減らすことができる。

上記設計手法を採用する場合に課題となるのは、鉄心に対する各永久磁石の位置決め固定方法である。例えば特許文献１には、鉄心の外壁面を構成する平面に永久磁石の平面を密着させるように組み合わせつつ、鉄心から突き出す突起を永久磁石の溝に嵌合させる位置決め固定方法が開示されている。

特開２０１２−２４９３５４号公報

特許文献１に開示された回転子では、鉄心の突起を永久磁石の溝に嵌合させるためには、突起と溝との間に幅方向のクリアランスが必要である。このクリアランスは、互換性部品を大量生産するために突起の幅寸法および溝の幅寸法に公差が存在する以上、所定の範囲内でばらつく。ばらつきの範囲を小さくするには、製造コストなどとの兼ね合いから、限界がある。
そのため、永久磁石を鉄心に組み合わせて固定するとき、永久磁石が鉄心に対し溝の幅方向へ移動することがある。特に、突起の幅寸法が公差の最小値であって、溝の幅寸法が公差の最大値である場合、クリアランスは最大となり、永久磁石が鉄心に対し幅方向へ大きく移動する可能性がある。

このように永久磁石が鉄心に対し幅方向へ移動した状態で固定されると、永久磁石の径方向外側の凸面が周方向へずれることに起因して、回転子と固定子との空隙の間隔が最短である位置、すなわち上記空隙における磁束強度最大位置が周方向へずれる。磁束強度最大位置のずれは、コギングトルクおよびトルクリップルが増加する要因となってしまう。このような回転子は、車両用パワーステアリング装置のモータに用いるには不向きである。

また、回転電機の制御においてｄｑ変換を実施する場合、磁束強度最大位置がずれることは、制御の基準となるｄ軸がずれることを意味する。ｄ軸のずれは、制御性の低下を招き、振動が増大する要因となってしまう。永久磁石個々のずれを制御にて補正することも考えられるが、手間を考えると大量生産には不向きである。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コギングトルクおよびトルクリップルの増加を抑制し、また制御性の低下を抑制することができる回転電機の回転子を提供することである。

本発明による回転電機の回転子は、鉄心および複数の永久磁石を備えている。
鉄心は、回転軸心と直交する断面の形状が、整数ｐの２倍の数の辺をもつ多角形である基部と、基部の各角部の間に位置し、単一の曲率半径をもつ第１凸曲面を有する２ｐ個の凸部と、を形成している。
永久磁石は、湾曲した板状であり、第１凸曲面に沿う凹曲面、および、板厚方向において凹曲面とは反対側に位置する第２凸曲面を有している。また、永久磁石は、凹曲面が鉄心の第１凸曲面に密着するように固定されている。
凸部の周方向の幅は、基部の辺部の周方向の幅の７０％以上であって１００％未満である。基部の角部は、鉄心の外壁に露出しており、周方向において隣り合う２つの永久磁石の間に位置している。

このように構成することで、永久磁石は、鉄心に組み合わせるとき鉄心に対し周方向へ移動する場合、永久磁石の凹曲面が鉄心の第１凸曲面に沿うように移動する。このとき、永久磁石の第２凸曲面と固定子との空隙の間隔の最短位置は変化しにくい。特に、鉄心の第１凸曲面の曲率半径と永久磁石の第２凸曲面の曲率半径とが同じである場合、永久磁石が鉄心に対し周方向へ移動しても、上記最短位置は変化しない。
したがって、本発明によれば、回転子と固定子との空隙における磁束強度最大位置のずれを抑制することができる。そのため、磁束強度最大位置のずれに起因するコギングトルクおよびトルクリップルの増加、および回転電機の制御性の低下を抑制することができる。

また、単一の曲率半径をもつ曲面で永久磁石の凹曲面を構成すると、凹曲面の形状に合わせた砥石によって永久磁石を磨いて凹曲面を形成することができるので、マシニングセンタなどの高価な装置などの高価な装置の導入が不要であり経済的である。また、鉄心に対する永久磁石の周方向への移動が円滑になり、移動時に永久磁石にストレスを与えて割ることを抑制可能である。
ここで、鉄心が形成する突起によって永久磁石の移動を規制する回転子の場合、鉄心の突起を製作するプレス型の寿命が短くなる弊害がある。これに対し、本発明では、鉄心には顕著な突起物が無いので、プレス型の寿命の低下を抑制することができる。

本発明の一実施形態による回転子が適用されたモータの概略構成を説明する断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図２のＩＩＩ部分の拡大図である。 ３相ブラシレスモータの一般的な制御ブロック図である。 図４のｄｑ変換およびｄｑ逆変換において用いる演算式である。 曲率半径比と電気角度誤差との関係を示す図である。 比較形態による回転子の一部を拡大して示す断面図であって、本発明の一実施形態を示す図３に対応している。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜一実施形態＞
本発明の一実施形態による回転子が適用された「回転電機」としてのモータを図１に示す。モータ１０は、車両用電動パワーステアリング装置の駆動力源として用いられる。

（全体構成）
先ず、モータ１０の全体構成について図１、図２を参照して説明する。
モータ１０は、３相ブラシレスモータであり、ハウジング２０、固定子３０、回転軸４０および回転子５０を備えている。
ハウジング２０は、筒ケース２１と、筒ケース２１の一端部を塞ぐ第１カバー２２と、筒ケース２１の他端部を塞ぐ第２カバー２３とから構成されている。第１カバー２２および第２カバー２３の中央部には、軸受２４、２５が取り付けられている。

固定子３０は、モータ１０の電機子であって、ステータコア３１および巻線３２から構成されている。ステータコア３１は、ハウジング２０の筒ケース２１の内壁面に固定されている円筒状のヨーク３３と、ヨーク３３から径方向内側に向かって放射状に延びている複数のティース３４とを形成している。巻線３２は、各スロットに挿入されており、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線およびＷ相巻線を構成している。図２には、巻線３２の図示を省略している。

回転軸４０は、軸受２４、２５により回転可能に支持されている。
回転子５０は、モータ１０の界磁であって、ロータコア５１および複数の永久磁石５２を有している。ロータコア５１は、固定子３０の内側で回転軸４０の外壁面に嵌めつけられている筒状部材であり、特許請求の範囲に記載の「鉄心」に相当する。永久磁石５２は、ロータコア５１の外壁面に設けられている。各永久磁石５２は、周方向に間隔を空けて配置されている。周方向で隣り合う２つの永久磁石５２は、径方向外側の磁極が互いに異なるように着磁されている。

以上のように構成されたモータ１０では、固定子３０の巻線３２の各相巻線の通電が順次切り替えられることによって回転磁界が発生し、この回転磁界に起因する磁気的吸引力または反発力によって回転子５０が回転軸４０と共に回転する。

（特徴構成）
次に、回転子５０の特徴構成について図２、図３を参照して説明する。
図２に示すように、回転子５０は、外径がφ５３ｍｍであり、また整数ｐの２倍の数の永久磁石５２を備えている。本実施形態では、ｐは５であり、永久磁石５２は１０個である。これに対応して、ロータコア５１は、回転軸心６１に直交する断面において１０個の辺をもつ正十角形の基本シルエットをもっている。固定子３０は、６０個のスロット６２を有している。

図２、図３に示すように、ロータコア５１は、上述の基本シルエット部分である基部６３、および、１０個の凸部６４を形成している。凸部６４は、基部６３の各角部の間、すなわち回転軸心６１に直交する断面において基部６３の辺に対応する辺部６５の中央部に位置し、辺部６５から盛り上がるように形成されている。凸部６４は、単一の曲率半径をもつ第１凸曲面６６を有している。

図３に示すように、回転軸心６１と直交する断面において、第１凸曲面６６の両端は、基部６３の辺部６５上に位置している。つまり、凸部６４のうち、回転軸心６１と直交する断面に現れる外壁面は、第１凸曲面６６のみである。また、ロータコア５１の凸部６４は、基部６３の辺部６５の７０％以上を占めている。言い換えれば、回転軸心６１と直交する断面において、第１凸曲面６６の両端を結ぶ仮想的な直線Ｌの長さは、基部６３の辺部６５の長さの７０％以上である。

永久磁石５２は、湾曲した板状であり、凹曲面６７および第２凸曲面６８を有している。凹曲面６７は、ロータコア５１の第１凸曲面６６に沿う曲面である。第２凸曲面６８は、板厚方向において凹曲面６７とは反対側に位置し、単一の曲率半径をもつ曲面である。凹曲面６７および第１凸曲面６６は、曲率半径が同じであり、永久磁石５２は、凹曲面６７が第１凸曲面６６に密着するように設けられている。

回転軸心６１と直交する断面において、永久磁石５２の幅寸法は、ロータコア５１の凸部６４の幅寸法よりも僅かに小さく設定されている。これにより、永久磁石５２がロータコア５１と組み合わさるとき、永久磁石５２の凹曲面６７は、ロータコア５１の凸部６４の第１凸曲面６６に確実に密着する。また、永久磁石５２は、凹曲面６７と第１凸曲面６６との密着を保ちつつロータコア５１に対し周方向へ移動するとき、凹曲面６７がロータコア５１の第１凸曲面６６に沿うように移動する。この移動は、ロータコア５１の基部６３の辺部６５に永久磁石５２が接触することによって規制される。

第１凸曲面６６の曲率半径をＲ１とし、第２凸曲面６８の曲率半径をＲ２とし、各永久磁石５２に外接する仮想的な外接円筒面の曲率半径をＲ３とする。本実施形態では、上記外接円筒面は、後述の筒状カバー６９の内壁面と一致する。すると、ロータコア５１および永久磁石５２は、次の式（１）、式（２）が成り立つように形成されている。
０．６≦（Ｒ２／Ｒ１）≦１．０・・・（１）
Ｒ２≦Ｒ３・・・（２）
本実施形態では、曲率半径Ｒ１、Ｒ２は共に１８ｍｍであって、（Ｒ２／Ｒ１）＝１．０であり、Ｒ２＜Ｒ３である。

回転軸心６１に直交する断面において、永久磁石５２の幅方向中央の厚みをｔ１とし、永久磁石５２の幅方向両端の厚みをｔ２とする。すると、厚みｔ１は、永久磁石５２の厚みの最大値である。そして、永久磁石５２は、次の式（３）が成り立つように形成されている。
１．０≦（ｔ１／ｔ２）≦１．４・・・（３）
本実施形態では、厚みｔ１は厚みｔ２と同じであって、（ｔ１／ｔ２）＝１．０である。

回転子５０は、第２凸曲面６８のうち少なくとも中央部と密着するように各永久磁石５２の外側に嵌めつけられている筒状カバー６９をさらに備えている。筒状カバー６９は、非磁性材から構成された薄肉円筒部材であり、本実施形態では例えばステンレス製である。図３に示すように、筒状カバー６９には、永久磁石５２との接触箇所を基準にすると２方向の張力Ｔが作用している。永久磁石５２は、この張力Ｔによって、ロータコア５１の第１凸曲面６６に押圧されて固定されている。

（比較形態との比較）
ここで、図７に示す比較形態と本実施形態との比較によって、本実施形態の有利な点を明らかにする。
図７に示すように、比較形態による回転子９０は、外径がφ５３ｍｍであり、ロータコア９１および１０個の永久磁石９２を備えている。ロータコア９１の外壁は、各永久磁石９２に対応して１０個の平面９３を有している。永久磁石９２は、ロータコア９１の平面９３に密着する平面９４と、固定子３０と対向する曲率半径が１８ｍｍである凸曲面９５とを有している。比較形態では、ロータコア９１の平面９３から突き出す突起９６を永久磁石９２の溝９７に嵌合させる位置決め固定方法が採用されている。

ロータコア９１の突起９６を永久磁石９２の溝９７に嵌合させるため、突起９６と溝９７との間には幅方向のクリアランスがある。そのため、永久磁石９２をロータコア９１に組み合わせて固定するとき、図７に示すように永久磁石９２がロータコア９１に対し溝９７の幅方向へ移動することがある。図７中に二点鎖線で示す仮想線９８は、回転軸心と突起９６の中央とを結ぶ直線であり、仮想線９９は、回転軸心と凸曲面９５の中央とを結ぶ直線である。このときの移動量が０．２ｍｍである場合、回転子９０と固定子３０との空隙の間隔が最短である位置、すなわち上記空隙における磁束強度最大位置は、ほぼ仮想線９９上に位置し、回転軸心６１まわりの角度で約２６分ずれる。角度２６分は、５極対のモータにおける電気角度に換算すると、２度１０分になる。

上述の磁束強度最大位置のずれは、トルクリップルが増加する主要因の一つになる。図４に３相ブラシレスモータの一般的な制御ブロック図を示す。これによると、３相の実在軸からｄｑ軸への順変換と、ｄｑ軸から３相の実在軸への逆変換とにおいて計２回の角度誤差が生じる。図５の表の式中のθは回転子静止時のｄ軸位置からの回転子の移動角度を示しているが、磁束強度最大位置がずれることは、上記θの基準となるｄ軸位置がずれることを意味する。ここで、角度誤差は、順変換と逆変換とで相殺されるのではない。変換の途中で電流のフィードバック演算による非線形演算が実施され、場合によってはヒステリシス特性を含む演算が実施されるので、逆変換時には角度誤差はさらに上乗せされてしまう。

これに対し、本実施形態では、ロータコア５１と永久磁石５２との組み合わせ面は曲面であり、永久磁石５２は、ロータコア５１に組み合わせるときロータコア５１に対し周方向へ移動する場合、凹部曲面Ｚがロータコア５１の凸部６４の第１凸曲面６６に沿うように移動する。第１凸曲面６６の曲率半径Ｒ１および第２凸曲面６８の曲率半径Ｒ２は同じであるので、上記永久磁石５２の移動時に永久磁石５２の第２凸曲面６８と固定子３０との空隙の間隔の最短位置は変化しない。つまり、本実施形態は、前述の比較形態における永久磁石９２の移動量０．２ｍｍに相当する分だけ永久磁石５２が周方向へ移動したとしても、磁束強度最大位置がずれない。図３中に二点鎖線で示す仮想線７１は、回転軸心と第１凸曲面６６の中央とを結ぶ直線であり、仮想線７２は、回転軸心と第２凸曲面６８の中央とを結ぶ直線である。磁束強度最大位置は、仮想線７１上に位置する。

図６に示すように、磁束強度最大位置のずれ量である電気角度誤差は、曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）が本実施形態のように１．０であるとき０となり、そこから曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）が０に近づくにしたがって大きくなる。電気角度誤差は、１度以下が望ましく、その際の曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）は０．６であり、また厚み比（ｔ１／ｔ２）は１．４である。

（効果）
以上説明したように、本実施形態による回転子５０は、ロータコア５１および複数の永久磁石５２を備えている。
ロータコア５１は、回転軸心６１と直交する断面の形状が正十角形である基部６３と、基部６３の各角部の間に位置し、単一の曲率半径をもつ第１凸曲面６６を有する１０個の凸部６４と、を形成している。
永久磁石５２は、湾曲した板状であり、第１凸曲面６６に沿う凹曲面６７、および、板厚方向において凹曲面６７とは反対側に位置する第２凸曲面６８を有している。また、永久磁石５２は、凹曲面６７がロータコア５１の第１凸曲面６６に密着するように固定されている。

このように構成することで、永久磁石５２は、ロータコア５１に組み合わせるときロータコア５１に対し周方向へ移動する場合、凹部曲面Ｚがロータコア５１の凸部６４の第１凸曲面６６に沿うように移動する。このとき、永久磁石５２の第２凸曲面６８と固定子３０との空隙の間隔の最短位置は変化しにくい。特に、本実施形態のように第１凸曲面６６の曲率半径Ｒ１および第２凸曲面６８の曲率半径Ｒ２が同じであって、曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）が１．０である場合、永久磁石５２がロータコア５１に対し周方向へ移動しても、上記最短位置は変化しない。
したがって、本実施形態によれば、回転子５０と固定子３０との空隙における磁束強度最大位置のずれを抑制することができる。そのため、磁束強度最大位置のずれに起因するコギングトルクおよびトルクリップルの増加、およびモータ１０の制御性の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、ロータコア５１の凸部６４は、基部６３の辺部６５の７０％以上を占めている。そのため、永久磁石５２の固定精度を向上させ、安定した製造が可能となる。また、このような凸部６４に対して、永久磁石５２の幅寸法が凸部６４の幅寸法よりも僅かに小さく設定されているため、磁気装荷を適正化することができる。

また、本実施形態では、回転軸心６１と直交する断面において、第１凸曲面６６の両端は、ロータコア５１の基部６３の辺部６５上に位置している。そのため、永久磁石５２がロータコア５１に対し周方向へ移動するとき、この永久磁石５２の移動は、ロータコア５１の基部６３の辺部６５に永久磁石５２が接触することによって規制することができる。

また、本実施形態では、永久磁石５２の第２凸曲面６８は、単一の曲率半径をもつ曲面である。そして、回転子５０は、第２凸曲面６８の中央部と密着するように各永久磁石５２の外側に嵌めつけられている筒状カバー６９を備えている。そのため、筒状カバー６９に作用する張力Ｔによって、永久磁石５２をロータコア５１の第１凸曲面６６に押圧して固定することができる。

また、本実施形態では、回転子５０は、車両用パワーステアリング装置のモータ１０に用いられる。本実施形態によれば、上述のようにコギングトルクおよびトルクリップルの増加が抑制されるので、特にトルク脈動を嫌う車両用パワーステアリング装置のモータ１０にも好適に用いることができる。

＜他の実施形態＞
本発明の他の実施形態では、回転軸心に直交する断面において、ロータコアの凸部の第１凸曲面の両端は、基部の辺部上に位置していなくてもよい。例えば、ロータコアの凸部の第１凸曲面の両端は、基部の辺部よりも径方向外側に位置していてもよい。

本発明の他の実施形態では、曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）は、０．６よりも大きく且つ１．０未満であってもよい。これによると、電気角度誤差を１度以下にすることができる。また、曲率半径比（Ｒ２／Ｒ１）は、０よりも大きく且つ０．６未満であってもよい。これによると、電気角度誤差は、１度を超えるが、前述の比較形態よりも小さくすることができる。
本発明の他の実施形態では、回転軸心に直交する断面において、ロータコアの基部の形状は、十角形に限らず、他の多角形であってもよい。

本発明の他の実施形態では、固定子のスロットの数は、６０個以外であってもよい。
本発明の他の実施形態では、永久磁石は、筒状カバーによらず、例えば接着等の他の方法で固定されてもよい。
本発明の他の実施形態では、回転子は、車両用パワーステアリング装置のモータに限らず、他の回転電機に用いられてもよい。上記他の回転電機には、産業用、家電用、玩具用、自動車用、ＯＡ機器用の回転電機などが含まれる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０・・・モータ（回転電機）
５０・・・回転子
５１・・・鉄心
５２・・・永久磁石
６１・・・回転軸心
６３・・・基部
６４・・・凸部
６６・・・第１凸曲面
６７・・・凹曲面
６８・・・第２凸曲面

Claims (6)

1. 回転電機（１０）の回転子（５０）であって、
   回転軸心（６１）と直交する断面の形状が、整数ｐの２倍の数の辺をもつ多角形である基部（６３）、および、前記基部の各角部の間に位置し、単一の曲率半径をもつ第１凸曲面（６６）を有する２ｐ個の凸部（６４）、を形成している鉄心（５１）と、
   湾曲した板状であり、前記第１凸曲面に沿う凹曲面（６７）、および、板厚方向において前記凹曲面とは反対側に位置している第２凸曲面（６８）を有し、前記凹曲面が前記第１凸曲面に密着するように固定されている２ｐ個の永久磁石（５２）と、
   を備え、
   前記凸部の周方向の幅は、前記基部の辺部（６５）の周方向の幅の７０％以上であって１００％未満であり、
   前記基部の前記角部は、前記鉄心の外壁に露出しており、周方向において隣り合う２つの前記永久磁石の間に位置している回転子。
2. 前記回転軸心と直交する断面において、前記第１凸曲面の両端は、前記鉄心の前記基部の辺上に位置している請求項１に記載の回転子。
3. 前記回転軸心に直交する断面において、前記永久磁石の幅方向中央の厚みをｔ１とし、前記永久磁石の幅方向両端の厚みをｔ２とすると、
   １．０≦（ｔ１／ｔ２）≦１．４
   である請求項１または２に記載の回転子。
4. 前記第１凸曲面の曲率半径をＲ１とし、前記第２凸曲面の曲率半径をＲ２とし、各前記永久磁石に外接する仮想的な外接円筒面の曲率半径をＲ３とすると、
   ０．６≦（Ｒ２／Ｒ１）≦１．０
   Ｒ２≦Ｒ３
   である請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転子。
5. 前記第２凸曲面は、単一の曲率半径をもつ曲面であり、
   前記第２凸曲面の少なくとも一部と密着するように各前記永久磁石の外側に嵌めつけられている筒状カバー（６９）をさらに備えている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転子。
6. 車両用パワーステアリング装置のモータに用いられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転子。

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