JP5407350B2

JP5407350B2 - 電動機制御装置

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Publication number: JP5407350B2
Application number: JP2009007805A
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Inventors: 真谷口; 飛鳥田中
Original assignee: Denso Corp
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Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
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Description

本発明は、電動機とインバータを備えた電動機制御装置に関する。

従来、電動機とインバータを備えた電動機制御装置として、例えば特許文献１に開示されている回転電機制御装置がある。この回転電機制御装置は、コンデンサと、３相インバータと、３相回転電機と、電池とから構成されている。３相インバータは、直流端と交流端とを有している。３相インバータの直流端は、コンデンサに接続されている。３相回転電機は、星形結線された３相巻線を備えている。３相巻線の各相端は、３相インバータの交流端に接続されている。電池の正極端及び負極端は、３相インバータの直流端と３相巻線の中性点の間に接続されている。そして、直流成分を含む交流電流が各相巻線に流れるように、３相インバータが制御される。これにより、電池の直流電圧が昇圧され、コンデンサに供給されるとともに、コンデンサからの電圧によって３相回転機がトルクを発生する。

ところで、３相回転電機のトルク瞬時値Ｔは、数１に示すように、各相の誘起電圧と、各相電流とによって決まる。

ここで、各相の誘起電圧は、基本波成分以外に３次高調波成分を含んでいる。また、各相電流は、直流成分を含んでいる。そのため、３相回転電機のトルク瞬時値Ｔは、数２に示すように、誘起電圧の３次高調波成分と相電流の直流成分とによって決まるトルクリプルを有することとなる。

従来、トルクリプルを低減できる電動機として、例えば特許文献２に開示されているブラシレスＤＣモータがある。このブラシレスＤＣモータは、ステータコアの歯部先端部の一部がカットされている。これにより、磁束の集中が平均化され、トルクリプルが低減される。

特開２００８−３０６９１４号公報特開２０００−１８４６３３号公報

ところで、ステータコアの歯部先端部の一部をカットしてトルクリプルを低減する技術は、各相電流が対称性を保っている場合に適用できるものである。各相電流が直流成分を含む回転電動機制御装置では、逆にトルクリプルが増加してしまう。そのため、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す場合には、トルクリプルを低減できないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる電動機制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、鍔部の周方向幅を所定幅以下とすることで、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えられることを明らかにし、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の電動機制御装置は、コンデンサと、直流端と交流端とを有し、直流端がコンデンサに接続される多相インバータと、複数の磁極を有する回転子と、回転子と径方向に対向し、回転子の磁極ピッチに対して５／６倍又は７／６倍のピッチで放射状に延びた状態で配置される歯部と、回転子と対向する歯部の端部の周方向両側面から周方向に突出する鍔部と、歯部に集中巻きされ、星形結線される多相の相巻線からなる固定子巻線と、を有し、固定子巻線の各相端が多相インバータの交流端に接続される多相電動機と、多相インバータの直流端と固定子巻線の中性点の間に接続される直流電源と、直流成分を含む多相交流電流が固定子巻線に流れるように多相インバータを制御する制御手段と、を備えた電動機制御装置において、鍔部の周方向幅は、固定子巻線を構成する線材の断面の周方向寸法の０．７５倍以下であることを特徴とする。この構成によれば、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。

請求項２に記載の電動機制御装置は、請求項１に記載の電動機制御装置において、線材は、丸線であり、鍔部の周方向幅は、丸線の線径の０．７５倍以下であることを特徴とする。この構成によれば、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを確実に抑えることができる。

請求項３に記載の電動機制御装置は、請求項１に記載の電動機制御装置において、線材は、角線であり、鍔部の周方向幅は、鍔部と対向する角線の辺の長さの０．７５倍以下であることを特徴とする。この構成によれば、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを確実に抑えることができる。

請求項４に記載の電動機制御装置は、請求項３に記載の電動機制御装置において、角線は、角部に丸みを有することを特徴とする。この構成によっても、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを確実に抑えることができる。

請求項５に記載の電動機制御装置は、コンデンサと、直流端と交流端とを有し、直流端がコンデンサに接続される多相インバータと、複数の磁極を有する回転子と、回転子と径方向に対向し、回転子の磁極ピッチに対して５／６倍又は７／６倍のピッチで放射状に延びた状態で配置される歯部と、回転子と対向する歯部の端部の周方向両側面から周方向に突出する鍔部と、歯部に集中巻きされ、星形結線される多相の相巻線からなる固定子巻線と、を有し、固定子巻線の各相端が多相インバータの交流端に接続される多相電動機と、多相インバータの直流端と固定子巻線の中性点の間に接続される直流電源と、直流成分を含む多相交流電流が固定子巻線に流れるように多相インバータを制御する制御手段と、を備えた電動機制御装置において、回転子と対向する端部側の鍔部を含む歯部の周方向幅は、回転子と対向する端部側以外の歯部の周方向幅の１．１３倍以下であることを特徴とする。この構成によれば、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。

請求項６に記載の電動機制御装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、多相インバータの直流端は、直流高電位端と直流低電位端とからなり、直流電源は、正極端が固定子巻線の中性点に、負極端が多相インバータの直流低電位端に接続され、制御手段は、負側にオフセットした直流成分を含む多相交流電流が固定子巻線に流れるように多相インバータを制御することを特徴とする。この構成によれば、直流電源の電圧を確実に昇圧することができる。

請求項７に記載の電動機制御装置は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、多相インバータの直流端は、直流高電位端と直流低電位端とからなり、直流電源は、正極端が多相インバータの直流高電位端に、負極端が固定子巻線の中性点に接続され、制御手段は、正側にオフセットした直流成分を含む多相交流電流が固定子巻線に流れるように多相インバータを制御することを特徴とする。この構成によれば、直流電源の電圧を確実に昇圧することができる。

請求項８に記載の電動機制御装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、多相電動機は、回転子の外周に径方向に磁化され磁極を形成する永久磁石を有することを特徴とする。この構成によれば、多相電動機として表面磁石型同期電動機を用い、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。

請求項９に記載の電動機制御装置は、請求項８に記載の電動機制御装置において、磁極は、スキューしていることを特徴とする。この構成によれば、誘起電圧の３次高調波成分を抑えることができる。そのため、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルをより確実に抑えることができる。

請求項１０に記載の電動機制御装置は、請求項８又は９のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、磁極数は、周方向に１０極又は１４極であることを特徴とする。この構成によれば、構成的にトルクリプルの発生しやすい１０極又は１４極の多相電動機を用い、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。

請求項１１に記載の電動機制御装置は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電動機制御装置において、多相電動機は、電動パワーステアリング装置を構成する駆動用の電動機であることを特徴とする。この構成によれば、電動パワーステアリング装置を構成する駆動用の電動機に、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。そのため、ステアリングホイールの操舵感を向上させることができる。

第１実施形態における電動機制御装置の回路図である。３相電動機の内部構造を示す断面図である。固定子巻線の展開図である。図１における歯部周辺の構造を示す模式的拡大断面図である。固定子巻線に流れる電流波形のグラフである。昇圧動作を説明するための回路図である。３相電動機の発生するトルク波形のグラフである。固定子巻線の線径に対する鍔部の周方向幅の比率と、トルクリプル率の関係を示すグラフである。トルクリプル率の比較結果を示すグラフである。第２実施形態における３相電動機の歯部周辺の構造を示す模式的断面図である。第３実施形態における３相電動機の歯部周辺の構造を示す模式的断面図である。歯部の周方向幅に対する鍔部を含む歯部の周方向幅の比率と、トルクリプル率の関係を示すグラフである。参考形態における３相電動機の歯部周辺の構造を示す模式的断面図である。空隙の径方向寸法に対する開口部の周方向幅の比率と、トルクリプル率の関係を示すグラフである。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電動機制御装置を、車両に搭載された電動パワーステアリング装置に適用した例を示す。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して電動機制御装置の構成について説明する。ここで、図１は、第１実施形態における電動機制御装置の回路図である。図２は、３相電動機の内部構造を示す断面図である。図３は、固定子巻線の展開図である。図４は、図２における歯部周辺の構造を示す模式的拡大断面図である。なお、図４において、歯部に１〜１２の番号が付してあるが、これは、歯部を区別するために便宜的に導入したものである。

図１に示すように、電動機制御装置１は、コンデンサ１０と、３相インバータ１１（多相インバータ）と、３相電動機１２（多相電動機）と、バッテリ１３（直流電源）と、制御回路１４（制御手段）とから構成されている。

コンデンサ１０は、３相電動機１２を駆動するための直流電圧を３相インバータ１１に供給する素子である。コンデンサ１０は、バッテリ１３の直流電圧を昇圧した電圧によって充電される。コンデンサ１０は、３相インバータ１１に接続されている。

３相インバータ１１は、バッテリ１０の直流電圧を３相交流電圧に変換し、３相電動機１２に供給する装置である。また、３相電動機１２を利用してバッテリ１３の直流電圧を昇圧し、コンデンサ１０に供給する装置でもある。３相インバータ１１は、ＭＯＳＦＥＴ１１０〜１１５によって構成されている。

ＭＯＳＦＥＴ１１０〜１１５は、オン、オフすることでコンデンサ１０の直流電圧を３相交流電圧に変換するためのスイッチング素子である。また、３相電動機１２を利用してバッテリ１３の直流電圧を昇圧するためのスイッチング素子でもある。ＭＯＳＦＥＴ１１０、１１３、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１１４及びＭＯＳＦＥＴ１１２、１１５は、それぞれ直列接続されている。具体的には、ＭＯＳＦＥＴ１１０〜１１２のソースが、ＭＯＳＦＥＴ１１３〜１１５のドレインにそれぞれ接続されている。直列接続された３組のＭＯＳＦＥＴ１１０、１１３、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１１４及びＭＯＳＦＥＴ１１２、１１５は、並列接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１１０〜１１２のドレインは、３相インバータ１１の直流高電位端を構成し、コンデンサ１０の一端に、ＭＯＳＦＥＴ１１３〜１１５のソースは、３相インバータ１１の直流低電位端を構成し、コンデンサ１０の他端にそれぞれ接続されている。ＭＯＳＦＥＴ１１０〜１１５のゲートは、制御回路１４にそれぞれ接続されている。また、直列接続されたＭＯＳＦＥＴ１１０、１１３、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１１４及びＭＯＳＦＥＴ１１２、１１５の直列接続点は、３相インバータ１１の交流端、具体的には、Ｕ、Ｖ、Ｗ相端を構成し、３相電動機１２にそれぞれ接続されている。

電動機１２は、３相交流電圧が印加され、３相交流電流が流れることで、ステアリングホイールの操舵をアシストするための駆動力を発生する機器である。具体的には、表面磁石型同期電動機である。図２に示すように、３相電動機１２は、回転子１２０と、固定子１２１とから構成されている。

回転子１２０は、磁路の一部を構成するとともに、磁束を発生する部材である。回転子１２０は、自らの発生する磁束が、後述する固定子１０２の回転磁束と鎖交することでトルクを発生し、回転する。回転子１２０は、回転子コア１２００と、回転子マグネット１２０１（永久磁石）と、保護カバー１２０２とから構成されている。

回転子コア１２００は、磁路の一部を構成するとともに、回転子マグネット１２０１を保持する、例えば磁性材料である鉄からなる円柱状の部材である。

回転子マグネット１２０１は、磁束を発生する、例えばフェライトからなる円筒状の部材である。回転子マグネット１２０１は、回転子コア１２００の外周面に固定されている。回転子マグネット１２０１の周面には、１４極の磁極が周方向に等間隔に着磁されている。具体的には、周方向に隣接する磁極が、互いに異なる磁極となるように、径方向に磁化され、着磁されている。このとき、磁極ピッチは、電気角で１８０度である。

保護カバー１２０２は、回転子マグネット１２０１の外周面を保護する、非磁性材料からなる薄板円筒状の部材である。保護カバー１２０２は、回転子マグネット１２０１の外周面を覆うように固定されている。

固定子１２１は、電流が流れることで回転磁束を発生する部材である。回転磁束が回転子１２０の磁束と鎖交することで、回転子１２０がトルクを発生し、回転することとなる。固定子１２１は、固定子コア１２１０と、固定子巻線１２１１とから構成されている。

固定子コア１２１０は、磁路の一部を構成する、例えば磁性材料であるけい素鋼板を積層して構成される部材である。固定子コア１２１０は、歯部１２１０ａと、鍔部１２１０ｂと、円筒部１２１０ｃとから構成されている。

歯部１２１０ａは、回転子１２０の外周面と径方向に対向し、放射状に延びた状態で配置される周方向幅が均一な１２個の略直方体状の部位である。歯部１２１０ａは、回転子１２０の磁極ピッチが電気角で１８０度であるのに対して、電気角で２１０度のピッチで放射状に延びた状態で配置されている。つまり、回転子１２０の磁極ピッチに対して７／６倍のピッチで放射状に延びた状態で配置されている。

鍔部１２１０ｂは、回転子１２０と対向する歯部１２１０ａの求心側端部の周方向両側面から周方向に突出する略直方体状の部位である。

円筒部１２１０ｃは、歯部１２１０ａの遠心側端部を連結する円筒状の部位である。

固定子巻線１２１１は、電流が流れることで磁束を発生する、線材から構成される部材である。具体的には、断面が円形状の丸線によって構成されている。図３に示すように、固定子巻線１２１１は、Ｕ相巻線１２１１ａと、Ｖ相巻線１２１１ｂと、Ｗ相巻線１２１１ｃとから構成されている。実線で示されるＵ相巻線１２１１ａは、１番目の歯部１２１０ａに左周りに、７番目の歯部１２１０ａに右周りに、６番目の歯部１２１０ａに左周りに、１２番目の歯部１２１０ａに右周りに連続してそれぞれ集中巻きされている。破線で示されるＶ相巻線１２１１ｂは、５番目の歯部１２１０ａに左周りに、１１番目の歯部１２１０ａに右周りに、１０番目の歯部１２１０ａに左周りに、４番目の歯部１２１０ａに右周りに連続してそれぞれ集中巻きされている。一点鎖線で示されるＷ相巻線１２１１ｃは、９番目の歯部１２１０ａに左周りに、３番目の歯部１２１０ａに右周りに、２番目の歯部１２１０ａに左周りに、８番目の歯部１２１０ａに右周りに連続してそれぞれ集中巻きされている。１２番目の歯部１２１０ａに巻回されたＵ相巻線１２１１ａの端部、４番目の歯部１２１０ａに巻回されたＶ相巻線１２１１ｂの端部、及び、８番目の歯部１２１０ａに巻回されたＷ相巻線１２１１ｃ端部は、共通接続され中性点を形成している。

ここで、図４に示すように、鍔部１２１０ｂの周方向幅Ｗ１は、固定子巻線１２１１を構成する丸線の線径Ｄの０．７５倍に設定されている。

図１に示すバッテリ１３は、コンデンサ１０に電圧を供給するための直流電源である。バッテリ１３の直流電圧は、３相電動機１２の固定子巻線１２１１及び３相インバータ１１を介して昇圧され、コンデンサ１０に供給される。バッテリ１３の正極端は固定子巻線１２１１の中性点に、負極端は３相インバータ１１の直流低電位端にそれぞれ接続されている。

制御回路１４は、直流成分を含む３相交流電流が固定子巻線１２１１に流れるように３相インバータ１１を制御する回路である。具体的には、負側にオフセットした直流成分を含む３相交流電流が流れるように３相インバータ１１を制御する。これにより、バッテリ１３の直流電圧が昇圧され、コンデンサ１０に供給されるとともに、コンデンサ１０からの電圧によって３相電動機１２がトルクを発生する。制御回路１４は、３相インバータ１１に接続されている。

次に、図１及び図４〜図９を参照して電動機制御装置の動作について説明する。ここで、図５は、固定子巻線に流れる電流波形のグラフである。図６は、昇圧動作を説明するための回路図である。図７は、３相電動機の発生するトルク波形のグラフである。図８は、固定コイルの線径に対する鍔部の周方向幅の比率と、トルクリプル率の関係を示すグラフである。図９は、トルクリプル率の比較結果を示すグラフである。

図１において、制御回路１４は、直流成分を含む３相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗがＵ相巻線１２１１ａ、Ｖ相巻線１２１１ｂ及びＷ相巻線１２１１ｃに流れるように３相インバータ１１を制御する。具体的には、図５に示すように、−ｉ０／３だけオフセットした３相交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗが流れるように、図１に示すＭＯＳＦＥＴ１１０〜１１５をオン、オフする。これにより、バッテリ１３から固定子巻線１２１１の中性点に直流電流ｉ０が流れる。具体的には、図５に示すように、負側にオフセットした略正弦波状の電流が流れる。Ｗ相に着目すれば、図６において、ＭＯＳＦＥＴ１１５をオンすると、Ｗ相巻線１２１１ｃに直流電流ｉ０が流れ、磁気エネルギーが蓄積される。そして、ＭＯＳＦＥＴ１１５をオフしＭＯＳＦＥＴ１１２をオンすると、Ｗ相巻線１２１１ｃのインダクタンス成分により、電流が流れ続けてコンデンサ１０を充電し、Ｗ相巻線１２１１ｃに蓄積された磁気エネルギーが静電エネルギーに変換される。交互のスイッチングをモータの基本周期に対して十分に高速に、例えば１０ｋＨｚで実施すれば、バッテリ１３の直流電圧が昇圧されてコンデンサ１０に供給される。また、Ｕ相巻線１２１１ａに直流電流ｉ０が流れ、ＭＯＳＦＥＴ１１０、１１３がオン、オフすることで、さらに、Ｖ相巻線１２１１ｂに直流電流ｉ０が流れ、ＭＯＳＦＥＴ１１１、１１４がオン、オフすることで、同様にバッテリ１３の直流電圧が昇圧されコンデンサ１０に供給される。これにより、バッテリ１３の直流電圧が昇圧され、コンデンサ１０に供給されるとともに、コンデンサ１０からの電圧によって３相電動機１２がトルクを発生する。

図７に示すように、３相電動機１２の発生するトルクは、変動成分であるトルクリプルを有している。前述したように、誘起電圧の３次高調波成分に起因するトルクリプルを有している。しかし、図４に示す鍔部１２１０ｂの周方向幅Ｗ１は、固定子巻線１２１１を構成する丸線の線径の０．７５倍に設定されている。図８に示すように、固定子巻線１２１１の線径Ｄに対する鍔部１２１０ｂの周方向幅の比率を０．７５倍以下にすると、トルクリプル率を、ステアリングホイールの操舵感に影響与えないレベルまで抑えることができる。ここで、トルクリプル率は、図７におけるトルク平均値に対するトルクリプルの割合である。例えば、図７及び図９に示すように、鍔部１２１０ｂの周方向幅Ｗ１のみが、固定子巻線１２１１の線径の１．７５倍である従来構成に比べ、誘起電圧の３次高調波成分に起因するトルクリプルを、６０％程度に抑えることができる。

最後に、効果について説明する。第１実施形態によれば、電動パワーステアリング装置を構成する駆動用の３相電動機に、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。そのため、ステアリングホイールの操舵感を向上させることができる。

また、第１実施形態によれば、バッテリ１３の正極端が固定子巻線１２１１の中性点に、負極端が３相インバータ１１の直流低電位端にそれぞれ接続され、負側にオフセットした直流成分を含む３相交流電流が固定子巻線１２１１に流れるように３相インバータ１１が制御される。そのため、バッテリ１３の直流電圧を確実に昇圧して、コンデンサ１０に供給することができる。

さらに、第１実施形態によれば、３相電動機１２は、回転子１２０の表面に回転子マグネット１２０１を有する、表面磁石型同期電動機である。そのため、表面磁石型同期電動機を用い、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置においても、トルクリプルを抑えることができる。

加えて、第１実施形態によれば、回転子マグネット１２０１の周面に、１４極の磁極が着磁されている。この場合、構成的にトルクリプルが発生しやすい。しかし、このようなトルクリプルの発生しやすい１４極の３相電動機を用い、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置においても、トルクリプルを抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の電動機制御装置について説明する。第２実施形態の電動機制御装置は、第１実施形態の電動機制御装置に対して、３相電動機の固定子巻線を構成する線材を角線に変更したものである。

図１０を参照して３相電動機の構成及び効果について説明する。ここで、図１０は、第２実施形態における３相電動機の歯部周辺の構造を示す模式的断面図である。ここでは、第１実施形態の電動機制御装置との相違部分である３相電動機の構成のみについて説明し、共通する部分につては説明を省略する。

図１０に示すように、固定子巻線２２１１は、断面が角部に丸みを有する略長方形状の角線によって構成されている。固定子巻線２２１１は、短辺を周方向に揃えた状態で歯部２２１０ａに集中巻きされている。ここで、鍔部２２１０ｂの周方向幅Ｗ２は、固定子巻線２２１１を構成する角線のうち、鍔部２２１０ｂと対向する短辺の長さＬの０．７５倍に設定されている。

この場合も、固定子巻線２２１１の短辺の長さＬに対する鍔部２２１０ｂの周方向幅Ｗ２の比率を０．７５倍以下にすると、トルクリプル率を、ステアリングホイールの操舵感に影響与えないレベルまで抑えることができる。そのため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態の電動機制御装置について説明する。第３実施形態の電動機制御装置は、第１実施形態の電動機制御装置が、線径を基準として鍔部の周方向幅を設定していたのに対して、歯部の周方向幅を基準として鍔部を含む歯部の周方向幅を設定したものである。

図１１及び図１２を参照して３相電動機の構成及び効果について説明する。ここで、１１図は、第３実施形態における３相電動機の歯部周辺の構造を示す模式的断面図である。図１２は、歯部の周方向幅に対する鍔部を含む歯部の周方向幅の比率と、トルクリプル率の関係を示すグラフである。ここでは、第１実施形態の電動機制御装置との相違部分である３相電動機の構成のみについて説明し、共通する部分につては説明を省略する。

図１１に示すように、回転子３２０と対向する端部側の鍔部３２１０ｂを含む歯部３２１０ａの周方向幅Ｗ３は、回転子３２０と対向する端部側以外の歯部３２１０ａの周方向幅Ｗ４の１．１３倍に設定されている。図１２に示すように、回転子３２０と対向する端部側以外の歯部３２１０ａの周方向幅Ｗ４に対する鍔部３２１０ｂを含む歯部３２１０ａの周方向幅Ｗ３の比率を、１．１３倍以下にすると、トルクリプル率を、ステアリングホイールの操舵感に影響与えないレベルまで抑えることができる。

そのため、電動パワーステアリング装置を構成する駆動用の３相電動機に、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルを抑えることができる。従って、ステアリングホイールの操舵感を向上させることができる。

（参考形態）
次に、参考形態の電動機制御装置について説明する。参考形態の電動機制御装置は、第１実施形態の電動機制御装置が、線径を基準として鍔部の周方向幅を設定していたのに対して、空隙部の径方向寸法を基準として開口部の周方向幅を設定したものである。

図１３及び図１４を参照して３相電動機の構成及び効果について説明する。ここで、図１３は、参考形態における３相電動機の歯部周辺の構造を示す模式的断面図である。図１４は、空隙の径方向寸法に対する開口部の周方向幅の比率と、トルクリプル率の関係を示すグラフである。ここでは、第１実施形態の電動機制御装置との相違部分である３相電動機の構成のみについて説明し、共通する部分につては説明を省略する。

図１３に示すように、周方向に隣接した鍔部４２１０ｂの間に形成される開口部４２１０ｄの周方向幅Ｗ５は、互いに対向する回転子マグネット４２０１の表面と歯部４２１０ａの端面の間に形成される空隙部４２１０ｅの径方向寸法Ｇの３倍に設定されている。図１４に示すように、空隙部４２１０ｅの径方向寸法Ｇに対する開口部４２１０ｄの周方向幅Ｗ５の比率を、３倍以上にすると、トルクリプル率を、ステアリングホイールの操舵感に影響与えないレベルまで抑えることができる。

なお、本実施形態では、バッテリの正極端が固定子巻線の中性点に、負極端が３相インバータの直流低電位端にそれぞれ接続され、負側にオフセットした直流成分を含む３相交流電流が固定子巻線に流れるように３相インバータが制御される例を挙げているが、これに限られるものではない。バッテリの正極端が３相インバータの直流高電位端に、負極端が固定子巻線の中性点にそれぞれ接続され、正側にオフセットした直流成分を含む３相交流電流が固定子巻線に流れるように３相インバータが制御されるようにしてもよい。この場合も同様に、バッテリ１３の直流電圧を確実に昇圧して、コンデンサ１０に供給することができる。

また、本実施形態では、回転子マグネットの磁極が軸方向にストレートに形成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。例えば、磁極はスキューしていてもよい。これにより、誘起電圧の３次高調波成分を抑えることができる。そのため、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置において、トルクリプルをより確実に抑えることができる。

さらに、本実施形態では、回転子マグネットの周面に１４極の磁極が形成されている例を挙げているが、これに限られるものではない。例えば、固定子側の構成はそのままに、回転子マグネットの磁極数を１０極にしてもよい。この場合、歯部は、回転子の磁極ピッチが電気角で１８０度であるのに対して、電気角で１５０度のピッチで放射状に延びた状態で配置されることとなる。つまり、回転子の磁極ピッチに対して５／６倍のピッチで放射状に延びた状態で配置されることとなる。１４極の場合と同様に、構成的にトルクリプルが発生しやすい。しかし、このようなトルクリプルの発生しやすい１０極の３相電動機を用い、各相電流として直流成分を含む交流電流を流す電動機制御装置においても、トルクリプルを抑えることができる。

加えて、本実施形態では、電動機及びインバータが３相かなる例を挙げているが、これに限られるものではない。３相以外の多相であってもよい。

１・・・電動機制御装置、１０・・・コンデンサ、１１・・・３相インバータ（多相インバータ）、１１０〜１１５・・・ＭＯＳＦＥＴ、１２・・・３相電動機（多相電動機）、１２０、３２０・・・回転子、１２００・・・回転子コア、１２０１、４２０１・・・回転子マグネット（永久磁石）、１２０２・・・保護カバー、１２１・・・固定子、１２１０・・・固定子コア、１２１０ａ、２２１０ａ、３２１０ａ、４２１０ａ・・・歯部、１２１０ｂ、２２１０ｂ、３２１０ｂ、４２１０ｂ・・・鍔部、１２１０ｃ・・・円筒部、４２１０ｄ・・・開口部、４２１０ｅ・・・空隙部、１２１１、２２１１・・・固定子巻線、１２１１ａ・・・Ｕ相巻線、１２１１ｂ・・・Ｖ相巻線、１２１１ｃ・・・Ｗ相巻線、１３・・・バッテリ（直流電源）、１４・・・制御回路（制御手段）

Claims

コンデンサと、
直流端と交流端とを有し、前記直流端が前記コンデンサに接続される多相インバータと、
複数の磁極を有する回転子と、前記回転子と径方向に対向し、前記回転子の磁極ピッチに対して５／６倍又は７／６倍のピッチで放射状に延びた状態で配置される歯部と、前記回転子と対向する前記歯部の端部の周方向両側面から周方向に突出する鍔部と、前記歯部に集中巻きされ、星形結線される多相の相巻線からなる固定子巻線と、を有し、前記固定子巻線の各相端が前記多相インバータの前記交流端に接続される多相電動機と、
前記多相インバータの前記直流端と前記固定子巻線の中性点の間に接続される直流電源と、
直流成分を含む多相交流電流が前記固定子巻線に流れるように前記多相インバータを制御する制御手段と、
を備えた電動機制御装置において、
前記鍔部の周方向幅は、前記固定子巻線を構成する線材の断面の周方向寸法の０．７５倍以下であることを特徴とする電動機制御装置。
前記線材は、丸線であり、
前記鍔部の周方向幅は、前記丸線の線径の０．７５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記線材は、角線であり、
前記鍔部の周方向幅は、前記鍔部と対向する前記角線の辺の長さの０．７５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の電動機制御装置。
前記角線は、角部に丸みを有することを特徴とする請求項３に記載の電動機制御装置。
コンデンサと、
直流端と交流端とを有し、前記直流端が前記コンデンサに接続される多相インバータと、
複数の磁極を有する回転子と、前記回転子と径方向に対向し、前記回転子の磁極ピッチに対して５／６倍又は７／６倍のピッチで放射状に延びた状態で配置される歯部と、前記回転子と対向する前記歯部の端部の周方向両側面から周方向に突出する鍔部と、前記歯部に集中巻きされ、星形結線される多相の相巻線からなる固定子巻線と、を有し、前記固定子巻線の各相端が前記多相インバータの前記交流端に接続される多相電動機と、
前記多相インバータの前記直流端と前記固定子巻線の中性点の間に接続される直流電源と、
直流成分を含む多相交流電流が前記固定子巻線に流れるように前記多相インバータを制御する制御手段と、
を備えた電動機制御装置において、
前記回転子と対向する端部側の前記鍔部を含む前記歯部の周方向幅は、前記回転子と対向する端部側以外の前記歯部の周方向幅の１．１３倍以下であることを特徴とする電動機制御装置。
前記多相インバータの前記直流端は、直流高電位端と直流低電位端とからなり、
前記直流電源は、正極端が前記固定子巻線の前記中性点に、負極端が前記多相インバータの前記直流低電位端に接続され、
前記制御手段は、負側にオフセットした直流成分を含む多相交流電流が前記固定子巻線に流れるように前記多相インバータを制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
前記多相インバータの前記直流端は、直流高電位端と直流低電位端とからなり、
前記直流電源は、正極端が前記多相インバータの前記直流高電位端に、負極端が前記固定子巻線の前記中性点に接続され、
制御手段は、正側にオフセットした直流成分を含む多相交流電流が前記固定子巻線に流れるように前記多相インバータを制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
前記多相電動機は、前記回転子の外周に径方向に磁化され前記磁極を形成する永久磁石を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
前記磁極は、スキューしていることを特徴とする請求項８に記載の電動機制御装置。
磁極数は、周方向に１０極又は１４極であることを特徴とする請求項８又は９のいずれか１項に記載の電動機制御装置。
前記多相電動機は、電動パワーステアリング装置を構成する駆動用の電動機であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電動機制御装置。