JP4791013B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

この発明は、ステータの内側にステータと対面した複数個のセグメント型の磁石を有するロータを備えたインナーロータ型のブラシレスモータに関するものである。

従来のインナーロータ型のブラシレスモータとして、ラジアル配向（ステータ方向に向かう磁場がステータに向かって拡散する）のセグメント型の磁石を有するロータを備えたブラシレスモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２３０２３９号公報

従来のブラシレスモータでは、ラジアル配向の磁石を有しているので、ステータとロータとの間の空隙における磁束密度が低く、それだけ誘起電圧の値が低くなり、電流当たりの出力トルクが低いという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、鉄損の上昇を抑制しながら、出力トルクを増大させることができるブラシレスモータを得ることを目的とする。

この発明に係るブラシレスモータでは、磁石は、ロータの径方向に沿った磁石中心線上でステータ側に位置する収束点に向かって磁場が収束する逆ラジアル配向に着磁されているとともに、前記ロータの周方向に肉厚が一定の磁石中間部を有し、また前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記磁石中間部の両側には、前記磁石中間部の外周面から両側に向かうに従って、前記磁石の周方向の寸法が広がるように軸線側に漸次接近して切り欠かれた切り欠き部が設けられており、
一対の前記切り欠き部のそれぞれの面積Ｓは、Ｓ＝（Ｄ^２／Ｐ）×α（但し、Ｄは前記磁石中間部の前記外周面の径寸法、Ｐは極対数３、αは形状係数である。）において、０＜α≦０．０１２の範囲内である。

この発明に係るブラシレスモータによれば、鉄損の上昇を抑制しながら、出力トルクを増大させることができる。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１のブラシレスモータを軸線方向に沿って切断したときの側断面図、図２は図１のブラシレスモータを径方向に沿って切断したときの正断面図である。
このブラシレスモータ１は、非操舵時でも常時駆動される電動油圧パワーステアリング装置用のモータであって、シャフト１６に固定されたロータ６と、鋼板で構成された有底円筒形状のフレーム２に圧入して固定されているとともに、ロータ６の外周に空隙を介して設けられたステータ４とを備えている。
ロータ６は、アルミニウムで構成されたハウジング７に配設された第１のベアリング８及びフレーム２の底面に配設された第２のベアリング９によってシャフト１６を介して回転自在に支持されている。このロータ６では、フェライト磁石であるセグメント型の磁石５が、Ｎ極、Ｓ極と交互にステータ４に対面して配置されている。
ステータ４は、積層された薄板鋼板により構成されたコア１０と、このコアの内径側に軸線方向に延びて周方向に等分間隔で形成された９個のスロット１１にそれぞれ巻装されたコイル３とを備えている。

このブラシレスモータ１は、電動油圧パワーステアリング装置の駆動源として使用され、運転者がハンドルを操作すると、操舵角や走行速度等に従ってブラシレスモータ１が駆動制御され、油圧ポンプを駆動し、発生した油圧によりパワーシリンダを介して操舵補助力が供給されるようになっている。
ブラシレスモータ１では、操舵角や走行速度等に従って各相のコイル３に切り換えられた電流が流れ、ステータ４には、回転磁界が生じ、その回転磁界に追従するようにしてロータ６が回転するようになっている。

図３は、図１、２に示した磁石５であり、この磁石５は、ステータ４方向に向かう磁場が互いに外周面の中間部側に接近するように収束配向しているとともに、前記外周面の両端部には中間部から両側に向かうに従って軸線側に漸次接近するように切り欠かれた切り欠き部１２が設けられている。
一対の切り欠き部１２のそれぞれの面積Ｓ（図４参照）は、Ｓ＝（Ｄ^２/Ｐ）×α（但し、Ｄは磁石５の外周中間部の径寸法、Ｐは極対数、αは形状係数である。）において、スロット数が９、Ｐが３であり、そのときの形状係数αの値は、０＜α≦０．０１２の範囲内である値である。
なお、切り欠き部１２の形状は、直線状に切り欠かれているが、例えば円弧形状に切り欠かれていてもよい。

本願発明者は、実験により、この実施の形態１のブラシレスモータにおける、ロータ６の回転角と１相当りの誘起電圧との関係を示す特性図を求めた。図５はそのときの特性図である。
なお、本願発明者は、実験により、比較例である図６に示したラジアル配向の磁石５Ａを用いたブラシレスモータにおける特性図を求めた。図７はそのときの特性図である。
同様に、図８に示したパラレル配向（ステータ方向に向かう磁場が互いに平行である）の磁石５Ｂを用いたブラシレスモータにおける特性図を求めた。図９はそのときの特性図である。
さらに、両端部に切り欠き部１２を有しない、図１０に示した、ステータ４方向に向かう磁場が互いに外周面の中間部側に接近するように配向している収束配向の磁石５Ｃを用いたブラシレスモータにおける特性図を求めた。図１１はそのときの特性図である。
図７、図９及び図１１の特性図から、１相当たりの誘起電圧は、ラジアル配向の磁石５Ａよりもパラレル配向の磁石５Ｂを用いたときが大きく、さらに磁石５Ｂよりも収束配向の磁石５Ｃを用いたときが大きいことが分かる。
これは、収束配向の磁石５Ｃの場合が、ステータ４とロータ６との間の空隙における磁束密度が、他の磁石５Ａ、５Ｂよりも高いことによる。この磁石５Ｃの場合、波形は滑らかな曲線ではないものの、両端部に切り欠き部１２を有する収束配向の磁石５の場合は、図５から分かるようにより正弦波に近い曲線が得られた。

図１２は、この実施の形態のブラシレスモータにおいて、形状係数αを横軸、鉄損比を縦軸としてαに対する鉄損比の変化を実験により求めたときの特性図である。鉄損比は、α＝０、即ち切り欠き部１２の面積Ｓが０のときを１００％としている。この図から分かるように、面積Ｓを大きくするに従って、鉄損は小さいことが分かる。
図１３は、形状係数αを横軸、トルク比を縦軸としてαに対するトルク比の変化を実験により求めたときの特性図である。この図から分かるように、トルク比はα＝０、即ち切り欠き部１２の面積Ｓが０のときの電流当りの出力トルクを１００％としている。この特性図によれば、切り欠き部１２の面積を大きくするに従って、電流当りの出力トルクが低下することが分かる。

モータ出力トルクは、ステータ４とロータ６との間での空隙における磁束密度が高い程、大きな値となり、ラジアル配向の磁石５Ａ、パラレル配向の磁石５Ｂ、逆ラジアル配向の磁石５の順で大きな値となる。
本願発明者は、実験により、６極、スロット１１の数が９で、逆ラジアル配向の磁石５Ｃを備えたブラシレスモータを用いたときのトルク比を１００％としたとき、６極、スロット１１の数が９で、パラレル配向の磁石５Ｂを備えたブラシレスモータのトルク比は９３％であることが分かった。
従って、この実施の形態のブラシレスモータがパラレル配向の磁石５Ｂを有するブラシレスモータよりも大きなトルクを得るためには、図１３の特性図から形状係数α≦０．０１２である必要がある。また、形状係数αが０のときは切り欠き部１２の面積Ｓは０であり、αは０＜αである。

この実施の形態のブラシレスモータによれば、空隙における磁束密度が、他の磁石５Ａ、５Ｂよりも高いためにそれだけ鉄損の上昇が大きくなるが、図５の特性図から分かるように切り欠き部１２を設けることで、回転角と１相当たりの誘起電圧は正弦波に近い曲線であり、鉄損の上昇を抑制することができ、１相当たりの誘起電圧は高い値が確保される。
また、誘起電圧は正弦波に近い曲線であり、磁束の急峻な変化が抑えられており、コギングトルクの低減及び騒音の低減にも効果が大である。
また、磁石５の外周面の両端部が切り欠かれており、それだけ磁石５の容量を低減することができ、製造コストが低減される。
また、形状係数αについて、０＜α≦０．０１２の値のときには、６極、スロット１１の数が９で、パラレル配向の磁石５Ｂを備えたブラシレスモータよりも、大きな電流当りの出力トルクが確保される。
なお、形状係数αの値が０＜α≦０．０１２の範囲内であるときにおいて、形状係数αがより０に近い場合は、電流当りのトルクが大きいので、高トルクが実使用領域であるブラシレスモータに適しており、形状係数αがより０．０１２に近い場合は、誘起電圧がより正弦波に近い波形となり、鉄損比が小さいので、高回転速度が実使用領域であるブラシレスモータに適している。
従って、このブラシレスモータが非操舵時でも常時駆動される電動油圧パワーステアリング装置に適用された場合には、据切り操舵時に相当する高トルク時の最大電流を低減することが可能となり、バッテリの負荷を軽減することができると同時に、低トルクで常時駆動される非操舵時は鉄損低減による消費電流を低減することが可能となり、燃費を向上させることができる利点がある。

実施の形態２．
図１４はこの発明の実施の形態２における磁石５を示す正面図、図１５は図１４の磁石５を軸線方向に沿って切断したときの断面図である。
この磁石５も、実施の形態１と同様に、ステータ４方向に向かう磁場がステータ４に向かって収束する収束配向に着磁されているとともに、外周面の両端部には切り欠き部１２が設けられている。また、この磁石５は、図１５に示すように、ステータ４方向に向かう磁場がステータ４の中央部側に収束する（中央配向）ように着磁されている。

この実施の形態２のブラシレスモータでは、実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、さらに磁石５の磁場は、中央配向でもあり、ステータ４に対する漏れ磁束は低減され、それだけ出力トルクが向上する。

この発明の実施の形態１のブラシレスモータを示す側断面図である。 図１のブラシレスモータを示す正断面図である。 図１の磁石における磁場配向を示す図である。 図１の磁石を示す正面図である。 ロータの回転角と１相当りの誘起電圧との関係を示す特性図である。 ラジアル配向の磁石を示す正面図である。 図６の磁石におけるロータの回転角と１相当りの誘起電圧との関係を示す特性図である。 パラレル配向の磁石を示す正面図である。 図８の磁石におけるロータの回転角と１相当りの誘起電圧との関係を示す特性図である。 収束配向の磁石を示す正面図である。 図１０の磁石におけるロータの回転角と１相当りの誘起電圧との関係を示す特性図である。 この実施の形態１のブラシレスモータにおいて、形状係数αと鉄損比との関係を示した特性図である。 この実施の形態１のブラシレスモータにおいて、形状係数αとトルク比との関係を示した特性図である。 この実施の形態２における磁石の磁場配向を示す正面図である。 図１４の磁石を軸線方向に沿って切断したときの断面図である。

符号の説明

１ ブラシレスモータ、３ コイル、４ ステータ、５ 磁石、１０ コア、１１ スロット、１２ 切り欠き部。

Claims (3)

1. スロットの数が９である、コアのスロットにコイルが巻装されたステータと、
   このステータの内側に設けられ、ステータと対面し、周方向に配列された６個の磁石を有するロータとを備えたブラシレスモータであって、
   前記磁石は、前記ロータの径方向に沿った磁石中心線上でステータ側に位置する収束点に向かって磁場が収束する逆ラジアル配向に着磁されているとともに、前記ロータの周方向に肉厚が一定の磁石中間部を有し、また前記ロータの軸線に垂直な断面において、前記磁石中間部の両側には、前記磁石中間部の外周面から両側に向かうに従って、前記磁石の周方向の寸法が広がるように軸線側に漸次接近して切り欠かれた切り欠き部が設けられており、
   一対の前記切り欠き部のそれぞれの面積Ｓは、Ｓ＝（Ｄ^２／Ｐ）×α（但し、Ｄは前記磁石中間部の前記外周面の径寸法、Ｐは極対数３、αは形状係数である。）において、０＜α≦０．０１２の範囲内であるブラシレスモータ。
2. 前記磁石は、軸線方向に沿って切断したときの断面上では、前記逆ラジアル配向が前記ステータの中央部側に収束するように着磁されている請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記ブラシレスモータは、電動油圧パワーステアリング装置用のモータである請求項１または請求項２に記載のブラシレスモータ。

Images