JP5241561B2 - 表面磁石型モータ及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の永久磁石が回転子に設けられている表面磁石型モータ、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置に関するものである。

近年、永久磁石型モータ等の永久磁石型回転電機のコスト低減及び小型化が求められている。これらの要求を満たすモータ駆動方法には、モータの角度検出装置を不要とするセンサレス駆動方式がある。センサレス駆動方式をモータの低速域及び高速域の両方で行うには、モータの突極性が必要である。

突極性が大きいモータとしては埋込磁石型モータが挙げられるが、埋込磁石型モータは、コギングトルクやトルクリップル等も大きいため、操舵性フィーリングが良好であることが要求される電動パワーステアリング装置等には適していない。このため、突極性が小さいが、コギングトルクやトルクリップルが小さく操舵性フィーリングが良好な表面磁石型モータにおいて、突極性を向上するような構造が求められている。

例えば、従来の永久磁石型回転電機では、角度検出のために、回転子の周囲に非磁性体層が設けられている。また、この非磁性体層は、回転子のＮ極とＳ極とを区分する極間を中心として、回転子の正、逆回転方向にそれぞれ電気角８０〜１００度の角度区間で形成されている（例えば、特許文献１参照）。

また、他の従来の永久磁石型回転電機では、角度検出のために、導電材製又は磁性材製の筒状部材が回転子の外周部に嵌合されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平９−５６１９３号公報 特開２００６−１０９６６３号公報

しかし、上記のような従来の永久磁石型回転電機では、回転子位置によるインピーダンスの変化が小さく、突極性を十分に大きくすることができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インピーダンスの回転子位置依存性を大きくすることができ、センサレス駆動に適した表面磁石型モータ、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。

この発明に係る表面磁石型モータは、固定子鉄心と、固定子鉄心に設けられた電機子巻線部とを有する固定子、及び回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子を備え、電機子巻線部には、駆動用の電流に高周波電流が重畳されて注入され、回転子には、閉じた回路である導通回路部が設けられており、導通回路部は、回転子の軸方向に沿って設けられた複数の軸方向導体部と、軸方向導体部間を接続する複数の接続導体部とを有しており、軸方向導体部及び接続導体部は、各永久磁石を個々に囲むように配置されており、導通回路部を構成する導体は、その長さ方向に垂直な断面を見たとき複数の分割導体に分割されており、電機子巻線部に注入する高周波電流の周波数をｆｈ［Ｈｚ］、導電率をσ［Ｓ／ｍ］、μを透磁率［Ｈ／ｍ］としたとき、

で表される表皮深さδ［ｍ］よりも、回転子の径方向への分割導体の厚さ寸法が小さくなるように導通回路部の導体が分割されている。

この発明の表面磁石型モータは、電機子巻線に高周波電流を注入することにより、軸方向導体部に流れる誘導電流のため、ｄ軸インピーダンスとｑ軸インピーダンスとに有意差が生じ、突極性が大きくなる。また、導体が複数の分割導体に分割されているため、表皮効果の影響を受けにくくなり、突極性がさらに大きくなる。これにより、レゾルバやエンコーダ等を用いないセンサレス駆動が可能となる。

この発明の実施の形態１による永久磁石型モータの断面図である。 図１の回転子を示す斜視図である。 図２の１組の永久磁石と導通回路部とを拡大して示す斜視図である。 図３の導通回路部のみを示す斜視図である。 図１の永久磁石型モータの要部を直線状に展開して示す説明図である。 図１の永久磁石型モータにおける回転子の回転角度とインピーダンスとの関係を示すグラフである。 無負荷時に図１の電機子巻線部に高周波電圧を印加した場合に電機子巻線部に流れる電流をｄｑ変換した電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。 負荷があるときに図１の電機子巻線部に高周波電圧を印加した場合に電機子巻線部に流れる電流をｄｑ変換した電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。 導体抵抗の周波数依存性を示すグラフである。 図１の永久磁石型モータをセンサレス駆動するためのコントローラを示す概略の構成図である。 この発明の実施の形態２による永久磁石型モータの断面図である。 図１１の導通回路部の第１例を示す平面図である。 図１２の導通回路部を示す正面図である。 図１１の導通回路部の第２例を示す正面図である。 この発明の実施の形態３による永久磁石型モータの断面図である。 図１５の導通回路部の第１例を拡大して示す断面図である。 図１５の導通回路部の第２例を拡大して示す断面図である。 この発明の実施の形態４による永久磁石型モータを示す断面図である。 この発明の実施の形態５による永久磁石型モータの第１例を示す断面図である。 この発明の実施の形態５による永久磁石型モータの第３例を示す断面図である。 この発明の実施の形態５による永久磁石型モータの第４例を示す断面図である。 この発明の実施の形態６による永久磁石型モータの回転子を示す斜視図である。 この発明の実施の形態７による電動パワーステアリング装置を示す概略の構成図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による永久磁石型モータの断面図であり、１０極１２スロットの表面磁石型モータを示している。図において、固定子１は、円筒状の固定子鉄心２と複数の電機子巻線部３とを有している。固定子鉄心２には、径方向内側へ突出する複数のティース部２ａが周方向に等間隔をおいて設けられている。隣接するティース部２ａ間には、それぞれスロット部２ｂが設けられている。電機子巻線部３は、ティース部２ａに巻回されている。

固定子１の内側には、回転可能な回転子４が挿入されている。回転子４は、回転軸５と、回転軸５に固定された円筒状の回転子鉄心６と、周方向に互いに等間隔をおいて回転子鉄心６の外周面に固定された複数（この例では１０個）の永久磁石７と、永久磁石７の周囲を囲むように回転子鉄心６の外周面に固定された複数の導通回路部８とを有している。

回転子４の回転方向を図の反時計回りとすると、巻線配置は、反時計回りにＵ＋、Ｕ−、Ｖ−、Ｖ＋、Ｗ＋、Ｗ−、Ｕ−、Ｕ＋、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ−、Ｗ＋となる。但し、Ｕ＋、Ｕ−はＵ相巻線、Ｖ＋、Ｖ−はＶ相巻線、Ｗ＋、Ｗ−はＷ相巻線をそれぞれ表し、＋、−は巻線の巻回方向が逆であることを意味している。

図２は図１の回転子４を示す斜視図、図３は図２の１組の永久磁石７と導通回路部８とを拡大して示す斜視図、図４は図３の導通回路部８のみを示す斜視図である。各導通回路部８は、回転子４の軸方向に沿って（軸方向に平行又はほぼ平行に）設けられた一対の軸方向導体部８ａ，８ｂと、軸方向導体部８ａ，８ｂの両端部間を接続する一対の接続導体部８ｃ，８ｄとを有している。即ち、軸方向導体部８ａ，８ｂと接続導体部８ｃ，８ｄとにより、閉じた回路である導通回路部８が構成されている。

永久磁石７は、導通回路部８の中央の矩形の開口部に挿通され、導通回路部８よりも径方向外側へ突出している。軸方向導体部８ａ，８ｂは、永久磁石７の両側面に接している。接続導体部８ｃ，８ｄは、永久磁石７の軸方向両端面に接している。即ち、軸方向導体部８ａ，８ｂ及び接続導体部８ｃ，８ｄは、各永久磁石７を個々に囲むように配置されている。

また、導通回路部８は、複数枚（この例では２枚）の導体板を回転子４の径方向（導通回路部８の厚さ方向）に積層して構成されている。即ち、導通回路部８を構成する導体は、その長さ方向に垂直な断面を見たとき、複数の分割導体に分割されている。さらに、導通回路部８は、例えば銅又はアルミニウム等により構成されている。

次に、回転センサなしで回転角度の検出が可能となる原理について説明する。図５は図１の永久磁石型モータの要部を直線状に展開して示す説明図であり、２通りの回転子位置ｄ、ｑを示している。また、高周波電圧印加時の電機子電流により発生する磁束の基本波成分の波形を、固定子１と回転子４との間に示している。

回転角度の検出には、突極性を用いる。ここで、突極性とは、インピーダンスの回転子位置に対する依存性を意味している。また、ここでのインピーダンスとは、例えば、電機子巻線部３の線間のインピーダンスを意味しており、このようなインピーダンスを以下では単にインピーダンスと呼ぶ。

図５において、回転子位置に対するインピーダンスの差異が最も大きい回転子位置ｄとｑとを比較する。まず、回転子位置がｄの場合には、電機子電流により発生する磁束が、例えば、軸方向導体部８ａ，８ｂ間に鎖交し、軸方向導体部８ａ，８ｂに誘導電流が流れる。そして、その誘導電流により、電機子電流によって発生する磁束が打ち消され、インピーダンスが小さくなる。

一方、回転子位置がｑの場合には、電機子電流により発生する磁束のうち、例えば、軸方向導体部８ａ，８ｂ間に鎖交する分が互いに打ち消すため、軸方向導体部８ａ，８ｂに誘導電流が流れず、インピーダンスも変化しない。このように、回転子４の位置によってインピーダンスに差異（有意差）が生じる現象を利用して、回転子４の位置検出が可能となる。

図６は図１の永久磁石型モータにおける回転子４の回転角度とインピーダンスとの関係を示すグラフであり、突極性を示したものである。図６において、横軸は回転子４の角度（電気角）、縦軸はインピーダンスをそれぞれ示している。図６では、インピーダンスの変化の周期は、電気角１８０度である。これは、対となる軸方向導体部８ａ，８ｂが電気角１８０度間隔に配置されているため可能となっている。

図７は無負荷時に図１の電機子巻線部３に高周波電圧を印加した場合に電機子巻線部３に流れる電流をｄｑ変換した電流ベクトルの軌跡を示す説明図、図８は負荷があるときに図１の電機子巻線部３に高周波電圧を印加した場合に電機子巻線部３に流れる電流をｄｑ変換した電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。なお、これら図７、図８においては、ｄ軸電流を横軸、ｑ軸電流を縦軸としている。また、モータはＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相モータとし、印加する高周波電圧は各線間電圧に振幅が同じで位相が２π／３［ｒａｄ］ずつずらされた電圧とする。

導通回路部８を配置しない従来のモータの電流ベクトルの軌跡は、図７、図８に示すように、ｄ軸及びｑ軸のインピーダンスが回転子位置に依存しない（即ち、突極性が殆どない）ため、真円又はほぼ真円となる。

一方、導通回路部８を配置したモータの電流ベクトルの軌跡は、図７、図８に示すように、楕円状となる。これは、導通回路部８を配置することにより、ｄ軸及びｑ軸のインピーダンスが回転子位置に依存し、電流が変化するためである。また、負荷時に磁気飽和した場合には、図８に示すように、楕円が傾くことがある。しかしながら、このような場合でも、負荷電流と長軸方向の傾きとから位置検出が可能である。

このように、永久磁石７の周囲に導通回路部８を配置することにより、モータに高周波電圧を印加したときの突極性を大きくすることができ、モータのセンサレス駆動が可能となる。

次に、突極性とセンサレス駆動の精度との相関性について説明する。センサレス駆動における位置推定の精度は、高周波電圧印加時のｄ軸電流Ｉｄｈとｑ軸電流Ｉｑｈとの差ΔＩｈが大きい程良い。Ｉｄｈ及びＩｑｈの大きさは、図７、図８で示したように、それぞれ楕円の長軸、短軸の長さの半分である。このため、ΔＩｈは以下の式（１）で表すことができる。また、モータの突極性を評価するため、突極性の指標を以下の式（２）で定義した。

ΔＩｈは、高周波電圧と突極性の指標（高周波電圧印加時のｄ軸インダクタンスＬｄｈの逆数とｑ軸インダクタンスＬｑｈの逆数との差）と周波数の逆数との積に比例するので、ΔＩｈが同じであるなら、突極性が高い方が高周波電流（又は高周波電圧Ｖｈ）は小さく抑えることができる。また、モータの騒音は高周波電流が大きい程大きいので、突極性が高い方が小さい電流で位置推定の精度が確保でき、騒音を小さく抑えることができる。

ここで、実施の形態１の導通回路部８は、単線（１本の導体の線）や単数の導体ではなく、回転子４の径方向に分割された複数の分割導体（素線や導体板）で構成されている。このような導通回路部８の分割数は３つ以上でもよく、また等分割でなくてもよい。

また、分割導体同士は互いに直接接触させても、互いに離れさせてもよい。さらに、分割導体を互いに離れさせる場合、分割導体間には空気層を介在させても薄い絶縁物層を介在させてもよい。

各分割導体の厚みが所定の表皮深さより薄くなるよう導体を分割すると、電流が導体の表面に集中しないため、表皮効果の影響をあまり受けず、高周波電圧印加時の導体に流れる誘導電流が小さくならない。そのため、突極性を維持でき、センサレス駆動が可能となる。

次に、表皮効果を考慮した導体の抵抗について説明する。渦電流が大きいと、回転子位置が図５のｄの場合、キャンセルする磁束が増え、高周波電圧印加時のｄ軸インダクタンスＬｄｈは小さくなる。一方、上述したように、高周波電圧印加時のｑ軸インダクタンスＬｑｈは殆ど変わらない。

突極性はＬｄｈの逆数とＬｑｈの逆数との差が大きい程高いため、回転子位置が図５のｄの場合の渦電流が大きいと、突極性は高くなる。また、導体の等価的な抵抗が小さい方が渦電流が大きいため、突極性は高くなる。従って、突極性を高めるには、高周波において表皮効果の影響を小さくする必要がある。

これに対して、導体を表皮深さより薄くなるよう分割すると、導体の等価的な抵抗が直流抵抗とほぼ同じとなる。このため、突極性を高めるには、導体を分割することが有用であると考えられる。

そこで、導体の分割によって、高周波電圧印加時にどの程度表皮効果の影響を低減できるかを、各周波数での導体の等価的な抵抗を計算することにより説明する。但し、電流が偏り流れる部分が導体の表面全体ではなく、片側のみの場合とする。また、電流の偏り方については後で述べる。さらに、導体の断面の形状は１ｍｍの正方形とし、導体の材料は銅とする。

図９は導体抵抗の周波数依存性を示すグラフであり、横軸に周波数、縦軸に断面積の比（導体全体の断面積／電流が流れる部分の断面積）を示している。この断面積の比は、抵抗の比（表皮効果を考慮した抵抗／直流抵抗）と同じと考えることができ、この値が１に近い程、表皮効果の影響が小さく、突極性を高く維持できる。計算では、電流が流れる部分の断面積は、表皮深さまで電流が流れるものとした。導体の等価的な抵抗は、表皮効果の影響を受けるまでは直流抵抗と同じであり、表皮効果の影響を受けると直流抵抗より大きくなる。

表皮深さδ［ｍ］は以下の式で求まる。

但し、ｆｅは前記導体に流れる渦電流の周波数［Ｈｚ］、σは導電率［Ｓ／ｍ］、μは透磁率［Ｈ／ｍ］とする。

モータの電機子巻線部３に注入する高周波電流の周波数ｆｈと上記のｆｅとは、モータが回転するため厳密には同じではない。しかし、ｆｈに対して、モータを駆動するための電流の周波数ｆｄ［Ｈｚ］が十分小さいため、モータの電機子巻線に注入する高周波電流の周波数ｆｈと上記のｆｅとは同じと考えることができる。そこで式（３）は次式に近似することができる。

図９は、σ＝５．９０×１０^７Ｓ／ｍ、μ＝１．２６×１０^−６Ｈ／ｍとして求めた。また、導体の厚みがｂ［ｍ］（図４参照）の場合、印加する高周波電圧の周波数が以下の式で求まる周波数ｆ１［Ｈｚ］以上であれば、導体を分割することで表皮効果の影響を効果的に低減できる。

図９において、導体は分割無、２分割、３分割の３通りとした。横軸の点は１ｋＨｚ，３ｋＨｚ，５ｋＨｚ，１０ｋＨｚ，３０ｋＨｚ，５０ｋＨｚである。

分割無では、５ｋＨｚ付近で等価的な抵抗が増加しはじめる。一方、２分割では、１０ｋＨｚ付近まで等価的な抵抗が直流抵抗と同じであり、表皮効果の影響を受けない。さらに、３分割では、３０ｋＨｚ付近まで等価的な抵抗が直流抵抗と同じであり、表皮効果の影響を受けない。

次に、電流の偏り方について述べる。導体に直接電圧を印加する場合と、固定子が発生する磁束の一部が導体に鎖交することにより導体に誘導電流が流れる場合とでは、電流の偏り方が異なる。即ち、前者では導体の表面全体に電流が偏り、後者では主に導体の固定子に近い側に偏る。そのため、上記の抵抗の計算の条件は、片側のみに電流が偏る場合とした。

以上のように、実施の形態１の永久磁石型モータでは、永久磁石７の周囲に導通回路部８が設けられており、かつ各分割導体の厚みが表皮深さより薄くなるように導通回路部８が分割されているので、高周波電圧印加時の表皮効果による抵抗の増加を抑制でき、突極性を維持することができる。このため、インピーダンスの回転子位置依存性を大きくすることができ、センサレス駆動に適した永久磁石型モータを得ることができる。

ここで、実際にセンサレス駆動を行うためのコントローラの一例について説明する。図１０は図１の永久磁石型モータをセンサレス駆動するためのコントローラを示す概略の構成図である。図において、永久磁石型モータ１１には、コントローラ１２が接続されている。コントローラ１２は、電源１３に接続されている。電源１３は、例えばバッテリのような直流電源で構成されている。

コントローラ１２は、インバータ１４、電機子電流測定部１５及び回転角度検出部１６を有している。インバータ１４は、永久磁石型モータ１１を駆動するために永久磁石型モータ１１に電流を供給する。また、インバータ１４は、回転角度検出のために例えば数百Ｈｚから数十ｋＨｚの高周波の電流を重畳して永久磁石型モータ１１に注入する。

電機子電流測定部１５は、電機子電流を測定する機能を有し、例えばホールＣＴやシャント抵抗などで構成されている。ホールＣＴ等のセンサを用いるのは、永久磁石型モータ１１の駆動開始直後等に電機子電流が直流に近いため、直流から高周波の交流まで計測する必要があるためである。図１０では３相の電流を測定する構成としているが、２相でもよいし、電源側の１相の電流を測定する構成としてもよい。

電機子電流測定部１５によって測定された電流値は、回転角度検出部１６に入力される。回転角度検出部１６は、入力された電流値に基づいて演算処理を行い、回転角度推定値θを求める。このとき、回転角度検出部１６は、例えば、図７、図８で示した楕円軌道の長軸方向を求めることで回転角度の推定を行う。回転角度検出部１６で推定した回転角度推定値θは、インバータ１４によりモータ駆動用の電流を適切に供給するために利用される。

このようなコントローラ１２では、レゾルバやエンコーダ等の回転角度検出装置を別途設けることなく、回転角度検出が可能となる。なお、電機子電流測定部１５は、永久磁石型モータ１１のトルク制御時に電流値を把握する必要があるため、レゾルバやエンコーダ等で回転角度を検出する従来の構成においても設けられている。また、回転角度検出部１６は、従来の構成でも設けられるマイクロコンピュータやＡＳＩＣの内部で構成することができる。

従って、実施の形態１のコントローラ１２によれば、従来よりも少ない部品点数で回転角度の検出を行うことが可能となり、従来よりも安価で小型の構成によるモータ駆動が実現できる。また、実施の形態１の永久磁石型モータ１１は、突極性が大きいため、高周波の電流の大きさが同じ場合のΔＩｈが大きくなり、回転角度の検出の精度が高くなる。このため、回転角度の検出精度が低いことが原因で発生するトルクリップルも低減することができる。

なお、上記の例では、永久磁石７が導通回路部８よりも径方向外側へ突出しており、導通回路部８が永久磁石７に接しているが、永久磁石７が導通回路部８よりも径方向外側へ突出しない場合や、導通回路部８が永久磁石７に接していない場合も、同様の効果が得られる。

実施の形態２．
実施の形態１では、突極性を向上するための手段として、導体の分割方法を説明したが、実施の形態２では分割の方向等について詳しく説明する。但し、導体をモータの径方向に分割する構成は実施の形態１で説明済みのため割愛する。

図１１はこの発明の実施の形態２による永久磁石型モータの断面図、図１２は図１１の導通回路部８の第１例を示す平面図、図１３は図１２の導通回路部８を示す正面図である。図において、導通回路部８の軸方向導体部８ａ，８ｂは、各分割導体の厚みが表皮深さより薄くなるよう回転子４の周方向に３つに分割されている。これに伴って、接続導体部８ｃ，８ｄは、回転子４の軸方向に３つに分割されている。分割導体は、互いに離れて配置されている。また、分割の方法は等分割に限らない。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このように、軸方向導体部８ａ，８ｂを回転子４の周方向に分割した場合でも、高周波電圧印加時の表皮効果を低減することができる。従って、図１２のように分割された導通回路部８を永久磁石７の周囲に配置することによっても、突極性が向上し、センサレス駆動が可能となり、従来よりも安価で小型の構成でのモータ駆動が実現できる。また、導通回路部８の導体を分割することにより、導体の表面積が増えるため、放熱が容易である。

図１４は図１１の導通回路部８の第２例を示す正面図であり、平面図は図１２と同様である。第２例では、導通回路部８は、回転子４の径方向に３つに分割されている。また、軸方向導体部８ａ，８ｂは回転子４の周方向に３つに分割され、接続導体部８ｃ，８ｄは回転子４の軸方向に３つに分割されている。また、分割の方法は等分割に限らない。さらに、分割された導体は、絶縁性の接着剤で互いに接着されている。

このように、導体の分割方法において、軸方向導体部８ａ，８ｂを回転子４の周方向に分割し、接続導体部８ｃ，８ｄを回転子４の軸方向に分割し、導通回路部８の導体を軸方向に分割することにより、軸方向導体部８ａ，８ｂを回転子４の周方向に分割し、接続導体部８ｃ，８ｄを回転子４の軸方向に分割した場合、又は、導通回路部８を導体の軸方向に分割した場合よりも、さらに表皮効果を低減でき、これにより突極性を維持することができ、センサレス駆動をより効率的に実施できる。

実施の形態３．
次に、図１５はこの発明の実施の形態３による永久磁石型モータの断面図、図１６は図１５の導通回路部８の第１例を拡大して示す断面図である。この例では、導通回路部８は、永久磁石７の周囲に配置された７本の素線（分割導体）９の束として構成されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような永久磁石型モータでは、各素線９が絶縁体で被覆されていないため、隣接する素線９同士は導通している。しかし、素線９間には接触抵抗があるため、断面積が素線９の断面積の合計と同じである単線を用いる場合よりも、表皮効果の影響は受けにくい。そのため、高周波電圧印加時に導通回路部８に流れる誘導電流が小さくならず、突極性を維持でき、センサレス駆動が可能となる。また、素線９を用いたため、曲げ易く加工が容易である。

なお、上記の例では７本の素線９を用いたが、導体の厚みが表皮深さよりも薄くなるのであれば素線９の数は特定しない。
また、上記の第１例に適した素線９としては、例えば軟銅線又は錫メッキ軟銅線を用いることができ、このような素線９を撚り合わせて導通回路部８を構成することができる。

図１７は図１５の導通回路部８の第２例を拡大して示す断面図である。第２例では、各素線９は、素線本体９ａと、素線本体９ａの外周に被覆された絶縁体９ｂとを有している。

このように、絶縁体９ｂを有する素線９を用いて導通回路部８を構成することにより、絶縁体９ｂで被覆していない素線９を用いる場合よりも、表皮効果の影響を受けにくくなる。このため、高周波電圧印加時に導通回路部８に流れる誘導電流が小さくならず、突極性を維持でき、センサレス駆動が可能となる。

なお、上記の第２例に適した導体としては、エナメル線を束ねた線やリッツ線等がある。
また、上記の第１例、第２例に適した導体は、撚り合わせていなくても、撚り合わせた場合と同様の効果が得られる。

ここで、一般に、表面磁石型モータは突極性が殆どないが、先の実施の形態１、２、３のような構成とすることで、一般の表面磁石型モータに比べ、突極性を大きくすることができる。また、これらの構成では、永久磁石７の周囲に分割していない導体を配置した場合よりも、表皮効果を低減できるため、突極性が大きくなる。さらに、一般に、表面磁石型モータは、コギングトルク、トルクリップルが小さく、導体を配置することによるコギングトルク、トルクリップルへの影響はない。従って、表面磁石型モータの本来の利点を生かすこともできる。

実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、表面磁石型モータに対して回転子位置によるインピーダンスの変化を大きくすることのできる構成を説明した。これに対して、本実施の形態４では、埋込磁石型モータに対して同様の構成を適用する場合について説明する。

図１８はこの発明の実施の形態４による永久磁石型モータを示す断面図であり、埋込磁石型モータを示している。この例では、永久磁石７が回転子鉄心６内に埋設されている。回転子鉄心６の外周面には、永久磁石７の埋込部の周囲を囲むように複数の回転子溝６ａが設けられている。回転子溝６ａ内には、実施の形態３と同様に７本の素線９からなる導通回路部８が配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このような埋込磁石型モータであっても、永久磁石７の埋込部の周囲に導通回路部８を配置することにより、突極性が向上し、センサレス駆動が可能となり、従来よりも安価で小型の構成でのモータ駆動が実現できる。

また、埋込磁石型モータは表面磁石型モータよりも磁石保持が容易なため、ステンレス鋼等の非磁性体製の管等を回転子４の外周部に設けなくてよい。
さらに、埋込磁石型モータは、元来突極性があるため、表面磁石型モータに比べて、突極性をさらに向上させることができる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、電機子巻線部３が集中巻の場合について説明する。実施の形態１〜４では、１０極１２スロットのみについて説明したが、極数とスロット数との比率が以下に示すようになるモータにおいても上記の構成をとることができる。

極数：スロット数＝１２ｎ±２ｎ：１２ｎ（但し、ｎは１以上の整数）
極数：スロット数＝９ｎ±ｎ：９ｎ（但し、ｎは１以上の整数）
極数：スロット数＝３ｎ±ｎ：３ｎ（但し、ｎは１以上の整数）

図１９はこの発明の実施の形態５による永久磁石型モータの第１例を示す断面図であり、電機子巻線部３が集中巻の例を示している。図１９の永久磁石型モータは、８極１２スロットであり、回転子４の回転方向を反時計回りとすると、巻線配置は、反時計回りにＵ＋、Ｖ＋、Ｗ＋の順に４回繰り返す配置となる。他の構成は、実施の形態３と同様である。

このような集中巻の永久磁石型モータは、元々は突極性が小さいが、このような構成とすることにより、表皮効果を低減できるため、突極性が大きくなり、回転センサレス化が可能となる。

また、実施の形態１で用いた図１は、実施の形態５による永久磁石型モータの第２例を示した断面図にも相当し、１０極１２スロットで電機子巻線部３が集中巻の永久磁石型モータの例を示している。

さらに、図２０はこの発明の実施の形態５による永久磁石型モータの第３例を示す断面図であり、１４極１２スロットで電機子巻線部３が集中巻の永久磁石型モータの例を示している。

さらにまた、図２１はこの発明の実施の形態５における永久磁石型回転電機の第４例を示す断面図であり、８極９スロットで電機子巻線部３が集中巻の永久磁石型モータの例を示している。

図２０における１４極１２スロットの巻線配置は、回転子４の回転方向を反時計回りとすると、反時計回りにＵ＋、Ｕ−、Ｗ−、Ｗ＋、Ｖ＋、Ｖ−、Ｕ−、Ｕ＋、Ｗ＋、Ｗ−、Ｖ−、Ｖ＋となる。また、図２１における８極９スロットの巻線配置は、回転子４の回転方向を反時計回りとすると、反時計回りにＵ＋、Ｕ−、Ｕ＋、Ｖ＋、Ｖ−、Ｖ＋、Ｗ＋、Ｗ−、Ｗ＋となる。

このような実施の形態５の第２例〜第４例の巻線配置であっても、第１例と同様の効果が得られる。

なお、実施の形態５では、電機子巻線部３が集中巻の場合について説明したが、分布巻の場合でも同様の効果を得ることができる。

実施の形態６．
次に、図２２はこの発明の実施の形態６による永久磁石型モータの回転子４を示す斜視図である。図において、導通回路部８は、隣接する永久磁石７間に設けられた複数の軸方向導体部８ｅと、回転子４の軸方向両端部で全ての軸方向導体部８ｅの端部間を接続する一対の環状の接続導体部８ｆ，８ｇとを有している。即ち、軸方向導体部８ｅと接続導体部８ｆ，８ｇとにより、閉じた回路である導通回路部８が構成されている。また、導通回路部８を構成する導体は、図では省略したが、実施の形態１又は２に示したように複数に分割されている。

このような構成によっても、表皮効果を低減できるため、突極性を維持することができ、レゾルバやエンコーダ等の回転角度検出装置を用いることなく、モータを駆動できるようになる。

実施の形態７．
本実施の形態７では、この発明による回転位置検出を電動パワーステアリング装置に適用する具体例について説明する。図２３はこの発明の実施の形態７による電動パワーステアリング装置を示す概略の構成図である。

ステアリングホイール３１には、ステアリングホイール３１の操舵力を受けるコラムシャフト３２が結合されている。コラムシャフト３２には、ウォームギヤ３３が接続されている。ステアリングホイール３１の操舵力は、コラムシャフト３２を介してウォームギヤ３３に伝達される。

ウォームギヤ３３は、モータ３５のアシストトルクを操舵力に加える。このとき、ウォームギヤ３３により、モータ３５の回転の方向が直角に変えられるとともに、モータ３５の回転が減速されて伝達される。

モータ３５は、コントローラ３４によって駆動制御される。ウォームギヤ３３には、ハンドルジョイント３６に接続されている。操舵力は、ウォームギヤ３３からハンドルジョイント３６に伝達され、その方向が変えられる。

ハンドルジョイント３６には、ステアリングギヤ３７が接続されている。ステアリングギヤ３７は、ハンドルジョイント３６の回転を減速しつつラック３８の直線運動に変換する。このラック３８の直線運動により車輪（図示せず）を動かし、車両の方向転換を可能とする。なお、図２３では、ウォームギヤ３３及びステアリングギヤ３７の詳細な記載を省略し、それぞれのギヤボックスのみを示している。

このような電動パワーステアリング装置において、モータ３５を適切に駆動するには、回転角度を検出する必要がある。そこで、従来のモータは、ホールセンサやレゾルバなどの回転角度検出装置を具備している。しかしながら、ホールセンサやレゾルバがあると、部品点数が増え、コストも増加する。また、モータ３５のサイズも回転角度検出装置があるために大きくなってしまう。

これに対して、モータ３５として、上述したような実施の形態１〜６に示したいずれかの永久磁石型モータを用いることで、回転角度検出装置がなくても、導体に流れる誘導電流によって発生するインピーダンスの違いを利用して、電機子電流を測定することにより、回転角度検出が可能となる。即ち、コントローラ３４により、モータ３５を駆動するための電圧に重畳して、例えば数百Ｈｚ〜数十ｋＨｚの高周波電圧をモータ３５に印加し、それにより生じる高周波電流を計測することにより、回転角度検出が可能であり、回転センサレス駆動が可能となる。

また、実施の形態１〜６に示したいずれかの永久磁石型モータでは、導通回路部８の導体が分割されているため、導体が分割されていない場合に比べ、高周波電圧印加時の表皮効果の影響を低減でき、突極性が大きくなり、位置検出の精度が高められる。これにより、部品点数を減らすことができるとともに、コストを低減することができる。また、モータ３５のサイズを小さくでき、軽量化することができる。さらに、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を得ることができる。

このような電動パワーステアリング装置では、モータ３５にて発生するコギングトルクやトルクリップルがウォームギヤ３３とコラムシャフト３２を介して、ステアリングホイール３１に伝達される。従って、モータ３５が大きなコギングトルクやトルクリップルを発生する場合、滑らかなステアリング感覚を得ることができない。

これに対して、特に実施の形態１〜３、５、６に示した表面磁石型のモータでは、コギングトルクやトルクリップルを小さく抑えつつ、回転センサレス駆動が可能となり、滑らかなステアリング感覚を得ることができる。

また、実施の形態１で説明したように、高周波電流の振幅が小さくても位置検出の精度が確保できるため、騒音を低減することができる。従って、モータ３５が車室内に配置され運転手とモータとの位置が近いコラム式への適用も有効である。

１ 固定子、２ 固定子鉄心、３ 電機子巻線部、４ 回転子、６ 回転子鉄心、７ 永久磁石、８ 導通回路部、８ａ，８ｂ，８ｅ 軸方向導体部、８ｃ，８ｄ，８ｆ，８ｇ 接続導体部、１１ 永久磁石型モータ、１２，３４ コントローラ、３５ モータ。

Claims (4)

1. 固定子鉄心と、前記固定子鉄心に設けられた電機子巻線部とを有する固定子、及び
   回転子鉄心と、前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子
   を備えているセンサレス駆動用の表面磁石型モータにおいて、
   前記電機子巻線部には、駆動用の電流に高周波電流が重畳されて注入され、
   前記回転子には、閉じた回路である導通回路部が設けられており、
   前記導通回路部は、前記回転子の軸方向に沿って設けられた複数の軸方向導体部と、前記軸方向導体部間を接続する複数の接続導体部とを有しており、
   前記軸方向導体部及び前記接続導体部は、前記各永久磁石を個々に囲むように配置されており、
   前記導通回路部を構成する導体は、その長さ方向に垂直な断面を見たとき複数の分割導体に分割されており、
   前記電機子巻線部に注入する高周波電流の周波数をｆｈ［Ｈｚ］、導電率をσ［Ｓ／ｍ］、μを透磁率［Ｈ／ｍ］としたとき、
   

   

   で表される表皮深さδ［ｍ］よりも、前記回転子の径方向への前記分割導体の厚さ寸法が小さくなるように前記導通回路部の導体が分割されていることを特徴とする表面磁石型モータ。
2. 前記軸方向導体部は、隣接する前記永久磁石間にそれぞれ配置され、
   前記接続導体部は、前記回転子の軸方向両端部で全ての前記軸方向導体部の端部間を接続する一対の環状の導体であることを特徴とする請求項１記載の表面磁石型モータ。
3. 前記導通回路部は、前記分割導体としての複数の素線を束ねて構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表面磁石型モータ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の表面磁石型モータと、
   前記表面磁石型モータを駆動するとともに、前記表面磁石型モータを駆動するための電圧に高周波電圧を重畳して前記表面磁石型モータに印加するコントローラと
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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