JP4851473B2 - 永久磁石形同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、電動パワーステアリングシステム等に用いられる永久磁石形同期モータに関するものである。

特許文献１には、外周部に複数の永久磁石が配設された回転子鉄心を有し、回転自在に支持された回転子と、固定子巻線と固定子鉄心を有し、前記回転子の外側に空隙を介して設けられた固定子とを備えた１０極１２スロット方式の電動パワーステアリングシステム用永久磁石形同期モータの例が示され、分割鉄心方式の固定子に巻線を施した後に全体を樹脂モールドし、さらに内径を切削加工する内容が示されている。

特開２００５−３４８５２２号公報

前記のような従来の電動パワーステアリングシステム用永久磁石形同期モータは、空隙長Ｌ［ｍｍ］を大きく取っていたため、減磁耐性、トルク特性を確保するために必要な磁石の厚さｔ［ｍｍ］が大きくなり、磁石使用量が増大し、モータのコストが高くなるという問題点があった。
また、分割鉄心を使用しているため、コア内径真円度の確保が難しく、コギングトルクを低減するために内径切削が必要であった。このため加工の工数が増大し、モータのコストが高くなる上、積層コア内径部の層間絶縁が破られ、積層コアの層間が短絡し渦電流損が増大し、発熱によってモータの温度上昇が大となり磁石の減磁耐性が悪化するという問題点があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、減磁耐性、トルク特性を確保しつつ、磁石厚を小さくできる永久磁石形同期モータを提供することを目的とするものである。

本発明は、外周部に複数のＮｄＦｅ系希土類セグメント磁石からなる永久磁石が配設された回転子鉄心を有し、回転自在に支持された回転子と、固定子巻線と固定子鉄心を有し、前記回転子の外側に空隙を介して設けられた固定子とを備えた永久磁石形同期モータにおいて、前記永久磁石の外周部と前記固定子鉄心の内周部との空隙長をＬ［ｍｍ］、モータ回転方向における前記永久磁石の中央部の厚さをｔ[ｍｍ]としたとき、空隙長Ｌと前記厚さｔを
Ｌ＝０．６〜０．７［ｍｍ］、ｔ／（ｔ＋Ｌ）＝０．７７〜０．８５
の範囲内に設定すると共に、
前記永久磁石の両端部の厚さｅ［ｍｍ］を
０．４≦ｅ／ｔ≦０．７
となる範囲内に設定し、かつ、前記永久磁石の極数をＰ、前記固定子のスロット数をＮとしたとき、極数Ｐとスロット数Ｎを
Ｐ：Ｎ＝５ｎ：６ｎ または ７ｎ：６ｎ （ｎは２以上の整数）
に設定し、
前記永久磁石の残留磁束密度Ｂｒを
Ｂｒ≧１．２［Ｔ］
となる範囲内に設定したものである。

本発明によれば、減磁耐性、トルク特性を確保しつつ、磁石厚を小さくでき、電動パワーステアリングシステム用等に適した永久磁石形同期モータを得ることができる。

実施の形態１．
図２は本発明の実施の形態１に係る永久磁石形同期モータの軸方向断面図、図２は永久磁石形同期モータの正面図及び側面図、図３は実施の形態１におけるモータの空隙長Ｌと永久磁石中央部の厚さｔの関係を示す部分断面図、図４は空隙長Ｌおよびｔ／（ｔ＋Ｌ）と減磁率との関係を示すグラフ、図５は空隙長Ｌおよびｔ／（ｔ＋Ｌ）とトルクとの関係を示すグラフである。

図１において、永久磁石形同期モータ（以下、単にモータという）１は、外周部に複数の永久磁石２５が配設された回転子鉄心２３を有し、回転自在に支持された回転子２２と、固定子巻線５と固定子鉄心３を有し、回転子の外側に空隙を介して設けられた固定子１２とを備えている。
固定子鉄心３は、電磁鋼板を積層して形成され、樹脂製のインシュレータ４を介して３相の固定子巻線５が巻回されている。各相の巻線５は樹脂製のターミナルホルダ６に収められた巻線ターミナル７によってΔ結線され、さらに各相の巻線ターミナル７にはリード線２と接続するための接続ターミナル８が取り付けられている。接続ターミナル８は接続ターミナルベース部９に取り付けられており、接続ターミナルベース部９の内部には接続ターミナル８にリード線２を取り付けるためのナット１０が収納されている。

固定子鉄心３は鉄製のフレーム１１に圧入され、モータ１の固定子１２をなしている。
フレーム１１の一端部には底部があり、底部の中央部には回転子２２の一端を支持するためのリアベアリング２６を収納するリアベアリングボックス部１３が形成されている。フレーム１１の他方の端部は開口しており、モータ１のハウジング１７と連結するためのインロー部１４が形成されている。フレーム１１のインロー部１４の外周には、モータ１のハウジング１７に固定子１２をネジ止めするためのネジ止め部を有するフランジ部１５が形成されている。モータ１のハウジング１７と固定子１２のフランジ部１５の間には、防水のためのＯリング状のフレームグロメット１６が設けられている。

モータ１のハウジング１７はアルミ合金のダイキャスト成形によって形成され、中央部には回転子２２の一端を支持するためのフロントベアリング２７を収納するフロントベアリングボックス１８が形成されている。また、ハウジング１７のフロントベアリングボックス１８の近傍には、回転子２２の回転角度を検出するための回転センサであるレゾルバ１９を取り付けるための、レゾルバ取り付け部２０が形成されている。ハウジング１７の固定子１２を取り付ける側と反対側の端部には、モータ１を相手側機器に取り付けるための取り付けインロー部２１が設けられている。

回転子２２は鉄製のシャフト２４に取り付けられた電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心２３の外周に複数の断面カマボコ状のＮｄＦｅ系希土類セグメント永久磁石２５を取り付けた構造となっており、シャフト２４の両端は前記リアベアリング２６および前記フロントベアリング２７によって回転自在に支持されている。シャフト２４のフロント側端部には、相手側機器と連結するためのカップリングであるボス２８が取り付けられている。

以上はモータ１の基本的な構成であるが、本発明の実施の形態１ではこのようなモータ１において、永久磁石２５の外周部と固定子鉄心３の内周部との空隙長をＬ［ｍｍ］、モータ回転方向における永久磁石２５の中央部（以下磁石中央部という）２９の厚さをｔ[mm]としたとき、空隙長Ｌと磁石中央部２９の厚さｔは
Ｌ≦１［ｍｍ］かつｔ／（ｔ＋Ｌ）≦０．９
の関係を満たすように設定されている。

具体的には、Ｌ＝０．６〜０．７［ｍｍ］、ｔ／（ｔ＋Ｌ）＝０．７７〜０．８５の範囲内に設定されている。ｔ／（ｔ＋Ｌ）は小さくした方が磁石中央部２９の厚さｔすなわち磁石厚が小さくなり、磁石使用量が減少するが、図４に示したモータ動作時の減磁率が増大し、減磁耐性が劣化してしまう、さらに図５に示したトルクも低下することになり、モータ特性が確保できなくなる。このため、ｔ／（ｔ＋Ｌ）に加えて、空隙長Ｌの範囲を規定する必要があり、これを規定することにより、減磁耐性確保と磁石使用量低減を同時に達成することができる。
これは、図４に示したように、空隙長Ｌを小さくすると減磁率が減少し、また図５に示したようにトルクが増大するためである。ここで、必要な減磁耐性の目安としては、実使用レベルで減磁率３％、望むべくは減磁率１％としている。
従って、本実施の形態１によれば、減磁耐性、トルク特性を確保しつつ、磁石厚すなわち磁石使用量を小さくでき、電動パワーステアリングシステム用等に適したモータを得ることができる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る５ｎ極６ｎスロット方式モータの断面図、図７は同じく実施の形態２に係る７ｎ極６ｎスロット方式モータの断面図、図８は極数、スロット数と巻線係数の関係を示した図である。
本実施の形態２に係るモータは、図６および図７に示した様に、実施の形態１に示したモータにおいて、永久磁石２５の極数をＰ、固定子１２のスロット数をＮとしたとき、極数Ｐとスロット数Ｎを
Ｐ：Ｎ＝５ｎ：６ｎ または ７ｎ：６ｎ （ｎは２以上の整数）
となる関係に設定している。
これは、同一磁石量でも、巻線係数大の方がトルク大となるため、図８に示した巻線係数が高い極、スロット数の組み合わせを選定し、減磁耐性、トルク特性を確保しつつ、磁石厚（磁石使用量）をより小さくするためである。

ここで、極数、スロット数の組み合わせを、５ｎ：６ｎまたは７ｎ：６ｎとするのは、基本波に対する巻線係数が大きくかつ高調波に対する巻線係数が小さいためである。８ｎ：９ｎ、１０ｎ：９ｎは基本波に対する巻線係数が大きいが、高調波に対する巻線係数も大きく、トルクリップル低減のためにスキュー等が必要になり、結果的にトルクが低下するため、好ましくない。
さらに、５ｎ：６ｎまたは７ｎ：６ｎの中でも、最も極数が少ない組み合わせ、すなわちｎ＝２の５ｎ：６ｎで１０極１２スロット方式を選定すれば、多極化によって渦電流損が増大し、発熱による温度上昇によって減磁耐性が悪化するのを緩和できる。
本実施の形態２によれば、巻線係数が高い極、スロット数の組み合わせを選定したことにより、減磁耐性、トルク特性を確保しつつ、磁石厚（磁石使用量）をより小さくできるという効果がある。

実施の形態３．
図９は本発明の実施の形態３に係るモータの断面図、図１０は本実施の形態３に係るモータの固定子鉄心の展開図である。
本実施の形態３に係るモータは、図９および図１０に示した様に、実施の形態１に示したモータにおいて、固定子鉄心３を分割鉄心３１同士の接触部において積層鋼板が重なり合い、かつ、重なり合った部分に設けられた円形の突起３２により連結され互いに回転することができる構成としている。
この固定子鉄心３は、鋼板から打ち抜く際には円形の形状のままであり、金型内で積層されて出てくる。積層された鉄心は、円形突起３２によって連結された部分で回転させて展開し、巻線を施す。その後に、突合せ部３３で再度円形に丸めることにより固定子鉄心とする。
このような構成としているため、巻線が容易になると共に、元々円形に鉄心を打ち抜いているため、特許文献１に示された従来の分割鉄心に比較して固定子鉄心３の内径の真円度確保が容易であり、鉄心内径の切削加工が不要となる。

実施の形態４．
図１１は本発明の実施の形態４に係るモータの固定子鉄心の回転積層状態を示す固定子鉄心の断面図である。
実施の形態４に係るモータは、実施の形態１に示したモータにおいて、固定子鉄心３を、図１１に示すような圧延方向に加工された４種類の鉄心３Ａ〜３Ｄを適宜組み合わせて積層することにより構成したものである。その際、それぞれの鉄心の突合せ部３３が同じ位置になるように回転して積層されている。
このため、回転積層した鉄心であっても、円形突起３２の連結部を回転させて展開することができる。回転積層を施すことにより、鋼材の板厚偏差によって積層倒れが発生し、鉄心内径の真円度が悪化するのを防止することができ、固定子鉄心３の内径の真円度確保できるので、鉄心内径の切削加工が不要となる。

実施の形態５．
図１２は本発明の実施の形態５に係るモータの断面図、図１３は実施の形態５に係るモータの固定子鉄心の展開図である。
本実施の形態５に係るモータは、図１２および図１３に示した様に、実施の形態１に示したモータにおいて、固定子鉄心３を複数の鉄心部が連結部３４で帯状に連結された連結鉄心としている。この固定子鉄心３は、鋼板から打ち抜く際には直線状に連結された状態であり、金型内で積層されて出てくる。積層された鉄心は、直線状に連結された状態のままで巻線が施され、その後に、連結部３４を折り曲げて鉄心全体を円形に丸めることにより固定子鉄心とする。
このような構成としているため、巻線が容易になると共に、特許文献１に示された従来の分割鉄心に比較して鉄心の内径の真円度確保が容易であり、鉄心内径の切削加工が不要となる。

実施の形態６．
図１４は本発明の実施の形態６に係るモータの磁石中央部の厚さｔと磁石両端部の厚さｅの関係を示す部分断面図、図１５は磁石中央部の厚さｔと磁石両端部の厚さｅの比ｅ／ｔと減磁率との関係を示すグラフ、図１６は磁石中央部の厚さｔと磁石両端部の厚さｅの比ｅ／ｔとコギングトルクとの関係を示すグラフである。
本実施の形態６に係るモータは、実施の形態１に示したモータにおいて、永久磁石２５をＮｄＦｅ系希土類セグメント磁石とし、磁石中央部２９の厚さをｔ［ｍｍ］、磁石両端部３０の厚さをｅ［ｍｍ］としたとき磁石中央部２９の厚さｔと磁石両端部３０の厚さｅを
０．４≦ｅ／ｔ≦０．７
となるように構成している。

磁石両端部３０の厚さｅと磁石中央部２９の厚さｔの比ｅ／ｔは、小さい方が永久磁石２５の使用量が少なくなり、コスト的に有利であるが、図１５に示したように減磁率が増大し、減磁耐性が劣化する。
また、これとは逆に、ｅ／ｔは小さい方が、図１６に示したようにコギングトルクが小さくなり、モータ特性上は有利な方向になる。前記ｅ／ｔの設定範囲は、コギングトルクと減磁耐性が両立できる範囲に設定したものであり、磁石使用量を低減しつつ、モータ特性を確保できるものである。ここで、ｅ／ｔの上限の設定値は、コギングトルクが急増する付近としている。

実施の形態７．
図１７は本発明の実施の形態７に係るモータの、永久磁石２５の残留磁束密度Ｂｒ［Ｔ］と減磁率との関係を示すグラフである。
本実施の形態７に係るモータは、実施の形態１に示したモータにおいて、永久磁石２５をＮｄＦｅ系希土類セグメント磁石とし、永久磁石２５の残留磁束密度Ｂｒを
Ｂｒ≧１．２［Ｔ］
となるように設定している。

永久磁石２５の特性として残留磁束密度Ｂｒが大きくなるほどｉＨｃが小さくなり減磁耐性が不利になる。逆に、同一のトルクを得るためには、残留磁束密度Ｂｒが大きい永久磁石の方が磁石厚が小となり、すなわち磁石使用量を少なくすることができる。また、空隙長Ｌと減磁率の関係は、前述の通り、空隙長小で減磁率小となる。
したがって、空隙長Ｌ≦１［ｍｍ］と残留磁束密度Ｂｒの関係を規定することにより、減磁耐性を確保しつつ、磁石使用量を低減することができる。
図１７に示したように、Ｌ≦１、Ｂｒ≧１．２の範囲内で適宜それぞれの値を選定することにより、減磁率を３％以下あるいは１％以下にすることができる。

以上の実施の形態１乃至７に係るモータ１は、図１８に示すように電動パワーステアリングシステム用モータとして適用でき、磁石使用量を低減できることによる低コスト、コギントルクの低減による操舵フィーリングの改善、減磁耐性向上による車両への適用性の確保を図ることができる。

本発明の実施の形態１に係る永久磁石形同期モータの軸方向断面図である。 実施の形態１における永久磁石形同期モータの正面図及び側面図である。 実施の形態１におけるモータの空隙長Ｌと磁石中央部の厚さｔの関係を示す部分断面図である。 実施の形態１における空隙長Ｌおよびｔ／（ｔ＋Ｌ）と減磁率との関係を示すグラフである。 実施の形態１における空隙長Ｌおよびｔ／（ｔ＋Ｌ）とトルクとの関係を示すグラフである。 実施の形態２に係る５ｎ極６ｎスロット方式モータの断面図である。 実施の形態２に係る７ｎ極６ｎスロット方式モータの断面図である。 実施の形態２における極数、スロット数と巻線係数の関係を示した図である。 実施の形態３に係る永久磁石形同期モータの断面図である。 実施の形態３に係る永久磁石形同期モータの固定子鉄心の展開図である。 実施の形態４に係る永久磁石形同期モータの固定子鉄心の回転積層状態を示す固定子鉄心の断面図である。 実施の形態５に係る永久磁石形同期モータの断面図である。 実施の形態６に係る永久磁石形同期モータの固定子鉄心の展開図である。 実施の形態６に係るモータの磁石中央部の厚さｔと磁石両端部の厚さｅの関係を示す部分断面図である。 実施の形態６における磁石中央部の厚さｔと磁石両端部の厚さｅの比ｅ／ｔと減磁率との関係を示すグラフである。 実施の形態６における磁石中央部の厚さｔと磁石両端部の厚さｅの比ｅ／ｔとコギングトルクとの関係を示すグラフである。 実施の形態７に係るモータの、永久磁石の残留磁束密度Ｂｒ［Ｔ］と減磁率との関係を示すグラフである。 電動パワーステアリングシステムの外観図である。

符号の説明

１・・・モータ、２・・・リード線、３・・・固定子鉄心、４・・・インシュレータ、５・・・固定子巻線、６・・・ターミナルホルダ、７・・・巻線ターミナル、８・・・接続ターミナル、９・・・接続ターミナルベース部、１０・・・ナット、１１・・・フレーム、１２・・・固定子、１３・・・リアベアリングボックス部、１４・・・インロー部、１５・・・フランジ部、１６・・・フレームグロメット、１７・・・ハウジング、１８・・・フロントベアリングボックス、１９・・・レゾルバ、２０・・・レゾルバ取り付け部、２１・・・取り付けインロー部、２２・・・回転子、２３・・・回転子鉄心、２４・・・シャフト、２５・・・永久磁石、２６・・・リアベアリング、２７・・・フロントベアリング、２８・・・ボス、２９・・・磁石中央部、３０・・・磁石両端部、３１・・・分割鉄心、３２・・・円形突起、３３・・・突合せ部、３４・・・連結部

Claims (6)

1. 外周部に複数のＮｄＦｅ系希土類セグメント磁石からなる永久磁石が配設された回転子鉄心を有し、回転自在に支持された回転子と、固定子巻線と固定子鉄心を有し、前記回転子の外側に空隙を介して設けられた固定子とを備えた永久磁石形同期モータにおいて、
   前記永久磁石の外周部と前記固定子鉄心の内周部との空隙長をＬ［ｍｍ］、モータ回転方向における前記永久磁石の中央部の厚さをｔ[ｍｍ]としたとき、空隙長Ｌと前記厚さｔを
   Ｌ＝０．６〜０．７［ｍｍ］、ｔ／（ｔ＋Ｌ）＝０．７７〜０．８５
   の範囲内に設定すると共に、
   前記永久磁石の両端部の厚さｅ［ｍｍ］を
   ０．４≦ｅ／ｔ≦０．７
   となる範囲内に設定し、
   かつ、前記永久磁石の極数をＰ、前記固定子のスロット数をＮとしたとき、極数Ｐとスロット数Ｎを
   Ｐ：Ｎ＝５ｎ：６ｎ または ７ｎ：６ｎ （ｎは２以上の整数）
   に設定し、
   前記永久磁石の残留磁束密度Ｂｒを
   Ｂｒ≧１．２［Ｔ］
   となる範囲内に設定したことを特徴とする永久磁石形同期モータ。
2. 前記永久磁石の極数を１０、前記固定子のスロット数を１２に設定したことを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期モータ。
3. 前記固定子鉄心は、分割鉄心同士の接触部において積層鋼板が重なり合い、かつ、重なり合った部分に設けられた円形の突起により連結され互いに回転するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期モータ。
4. 前記固定子鉄心は、回転積層が施されていることを特徴とする請求項３記載の永久磁石形同期モータ。
5. 前記固定子鉄心は、複数の鉄心部が帯状に連結された連結鉄心で構成されていることを特徴とする請求項１記載の永久磁石形同期モータ。
6. 電動パワーステアリングシステム用であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の永久磁石形同期モータ。

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