JP5199704B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、スキュー構造を有するブラシレスモータに関し、特に、リングマグネットを用いた低トルクリップル・高出力なブラシレスモータに関する。

従来より、ブラシレスモータの静粛性能を向上させるため、正弦波駆動によって通電の切り替わりを滑らかにし、トルククリップルを低減させる制御方式が知られている。このような正弦波駆動では、誘起電圧波形が正弦波形状となるモータに対し、電流値が正弦波状に変化する電流を供給することにより、通常の120°矩形波駆動の場合に比して、トルクリップルを小さくしている。また、トルクリップルを低減させる方法としては、ロータ磁極等を軸方向に傾斜させるスキュー構造も広く知られている。このスキュー構造を採用したモータでは、誘起電圧波形の高調波成分が低減するため、誘起電圧波形を滑らかな正弦波形にすることができ、正弦波駆動時のトルクリップル低減効果がより向上する。
特開2006-174692号公報

ところが、スキュー構造のモータでは、スキュー角を大きくすると、高調波成分と共に、誘起電圧の基本波成分も低下する。モータの出力トルクは、概ね、誘起電圧とモータ電流との積となるため、トルクの大きさは、専ら基本波成分に依存する。このため、トルクリップル低減のため、スキュー角を大きくすると、モータトルクが減少し、電圧利用率が低くなる。その一方、モータトルク確保のため、スキューを小さくし、誘起電圧の低下を抑えた状態でモータ仕様を設定すると、その分、高調波成分が増加するため、トルクリップルが増大する。このため、ブラシレスモータでは、トルクリップルの低減と出力の向上を共に満たすことが難しく、その対策が求められていた。

一方、例えば、電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータなどでは、小型化・高出力化の要請から、ロータマグネットとして、高磁束密度に着磁可能なセグメントマグネットの使用が増加している。ところが、セグメントマグネットは、着磁時にマグネットの角度を設定する必要があり、スキュー着磁を行うことが難しい。このため、セグメントマグネットを使用するモータでは、スキュー構造を実現すべく、マグネットの段積みによるいわゆるステップスキューが行われている。しかしながら、ステップスキュー構造のモータでは、実際には、組み付け状態や物性値、加工精度などにバラツキがあり、モータ性能にバラツキが生じ易いという問題があった。

本発明の目的は、高出力と低トルクリップルを共に満たしつつ、スキュー着磁が容易で性能にバラツキが少ないブラシレスモータを提供することにある。

本発明のブラシレスモータは、２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータであって、前記磁極を形成するマグネットとして、周方向に沿って磁極が配置されたリングマグネットを使用すると共に、前記ステータに巻装されるコイルをΔ結線し、前記マグネットの着磁角θｒと前記磁極の極ピッチ角θｐとの比θｒ／θｐを０.５≦θｒ／θｐ≦０.９、前記ロータのスキュー角θskewを電気角３９°≦θskew≦５４°とすることにより、前記ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を４.５％〜６.５％に設定し、線間誘起電圧を台形波化したことを特徴とする。

本発明にあっては、リングマグネットの採用により、スキュー着磁が容易となり、着磁作業に要する工数削減が図られる。また、ステップスキュー構造に比して、スキュー角度のバラツキを抑えることができ、モータ性能のバラツキが抑えられる。さらに、Δ結線を採用すると共に、マグネットの着磁角θｒと前記磁極の極ピッチ角θｐとの比θｒ／θｐを０.５≦θｒ／θｐ≦０.９、前記ロータのスキュー角θskewを電気角３９°≦θskew≦５４°とし、ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を４.５％〜６.５％に設定して線間誘起電圧を台形波化したので、ピーク電流値が抑えられる。

前記ブラシレスモータにおいて、その誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を４.５％〜６.５％とすることにより、正弦波駆動に対してトルクや回転数が効果的に増大する。また、前記ロータのスキュー角θskewを電気角３９°≦θskew≦５４°とすることにより、誘起電圧における全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率が大きくなる。さらに、前記マグネットの着磁角θｒと前記磁極の極ピッチ角θｐとの比θｒ／θｐを０.５≦θｒ／θｐ≦０.９とすることにより、２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータにて、スキュー角を電気角３９°≦θskew≦５４°としつつ、ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を概ね４.５％〜６.５％にすることができる。

また、前記ブラシレスモータを、６個（ｎ＝３）の前記磁極と、９個の前記スロットを有する６極９スロット構造としても良く、前記ブラシレスモータを、電動パワーステアリングの駆動源として使用しても良い。本発明によるブラシレスモータの場合、低トルクリップル、高出力を共に満たすことから、トルクリップルへの要求が厳しく、小型・高出力化が求められる電動パワーステアリング用のモータとして特に有用である。

本発明のブラシレスモータは、いわゆる２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータにて、磁極にリングマグネットを使用すると共に、ステータコイルにΔ結線を採用したので、スキュー着磁が容易となり、着磁作業に要する工数削減が図られる。また、スキュー角度のバラツキを抑えることができ、モータ性能のバラツキを抑えることが可能となる。さらに、Δ結線の採用により、線間誘起電圧を台形波化でき、ピーク電流値の抑制が図られ、モータ出力を増大させることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。図１に示すように、ブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、外側にステータ（固定子）２、内側にロータ（回転子）３を配したインナーロータ型のブラシレスモータとなっている。モータ１は、例えば、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の動力源として使用され、自動車のステアリングシャフトに対し動作補助力を付与する。モータ１は、ステアリングシャフトに設けられた減速機構部に取り付けられ、モータ１の回転は、この減速機構部によってステアリングシャフトに減速されて伝達される。

ステータ２は、有底円筒形状のケース４と、ステータコア５、ステータコア５に巻装されたステータコイル６（以下、コイル６と略記する）及びステータコア５に取り付けられるバスバーユニット（端子ユニット）７とから構成されている。ケース４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、その開口部には、図示しない固定ネジによってアルミダイキャスト製のブラケット８が取り付けられる。ステータコア５は、図２に示すように、複数個（ここでは９個）の分割コア９を周方向に集成した構成となっている。ステータコア５には、９個のティース５ａが径方向内側に向かって突設されている。分割コア９は、電磁鋼板からなるコアピースを積層して形成され、その周囲には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられている。

インシュレータ１１の外側にはコイル６が巻装され、ステータコア５の一端側には、コイル６の端部６ａが径方向に引き出されている。ステータコア５の一端側には、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバーがインサート成形されたバスバーユニット７が取り付けられる。バスバーユニット７の周囲には複数個の給電用端子１２が径方向に突設されており、バスバーユニット７の取り付けに際し、コイル端部６ａは、この給電用端子１２と溶接される。バスバーユニット７では、バスバーはモータ１の相数に対応した個数（ここでは、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相分の３個）設けられている。各コイル６は、Δ結線にて接続されており、各コイル６はその相に対応した給電用端子１２と電気的に接続される。ステータコア５は、バスバーユニット７を取り付けた後、ケース４内に圧入固定される。

ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。ロータ３はロータシャフト１３を有しており、ロータシャフト１３はベアリング１４ａ,１４ｂによって回転自在に支持されている。ベアリング１４ａはケース４の底部中央に、ベアリング１４ｂはブラケット８の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト１３には、円筒形状のロータコア１５が固定されており、その外周には、円筒状のリングマグネット（永久磁石）１６（以下、マグネット１６と略記する）が接着固定されている。マグネット１６の外側には、有底円筒形状のマグネットカバー１７が取り付けられている。

マグネット１６には、スキュー着磁が施されており、軸方向に沿って傾斜する形で磁極が設けられている。マグネット１６の磁極は、周方向に沿って６極設けられており、これにより、モータ１は６極９スロット（６Ｐ９Ｓ）構造となっている。本発明のモータ１では、磁極としてリングマグネット１６を用いているため、セグメントマグネットに比してスキュー着磁が容易であり、着磁作業に要する工数を削減することができる。また、ステップスキュー構造に比して、スキュー角度のバラツキを抑えることができ、モータ性能のバラツキを抑えることが可能となる。

マグネット１６の図１において左側には、回転角度検出手段であるレゾルバ２１のロータ（レゾルバロータ）２２が取り付けられている。ロータ２２の内周には、キー溝２２ａが形成されており、ロータシャフト１３の外周に取り付けられたキー１８と嵌合する。キー１８は、マグネット１６の着磁の際にも位置決め用に使用され、マグネット１６には、キー１８の位置を基準として、所定の位置に磁極が形成される。従って、ロータ２２をキー１８によってロータシャフト１３に固定することにより、ロータ２２とマグネット１６の各磁極が所定の角度関係で位置決めされる。

レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、金属製のレゾルバホルダ２４内に圧入され、その状態でブラケットホルダユニット２５に固定されている。レゾルバステータ２３には、ロータ２２の回転に伴って出力される信号を伝送するための図示しないセンサハーネスが固定されている。センサハーネスは、ブラケット８とブラケットホルダユニット２５との間を周方向に沿って引き回され、ブラケット８の外周部から装置外へと引き出される。

モータ１では、レゾルバホルダ２４は有底円筒形状に形成されており、ブラケットホルダユニット２５の中央部に挿入装着される。一方、フランジ部２４ａが形成された開口側端部は、ブラケット８に設けられたリブ２６の端部外周に軽圧入される。リブ２６は、ブラケット８の中央部に、軸方向に向かって円筒形状に突設されており、その内側には、ロータシャフト１３を支持するベアリング１４ｂが固定されている。従って、リブ２６にレゾルバホルダ２４を軽圧入することにより、レゾルバステータ２３がロータシャフト１３と同心状に取り付けられる。

ブラケットホルダユニット２５は合成樹脂にて形成されており、金属製の雌ネジ部２７がインサート成形されている。雌ネジ部２７には、ブラケット８の外側から取付ネジ２８がねじ込まれ、これにより、レゾルバホルダ２４がブラケット８の内側に固定される。ブラケットホルダユニット２５にはまた、給電配線２９と接続された外部給電用端子３１が３個（Ｕ,Ｖ,Ｗの各相）設けられている。各外部給電用端子（Ｕ,Ｖ,Ｗ）３１は、ブラケットホルダユニット２５内に設けられたバスバー端子３２（Ｕ,Ｖ,Ｗ）と溶接される。

バスバー端子３２は、バスバーユニット７から軸方向に向かって突設されており、モータ１を組み付けると、バスバー端子３２と外部給電用端子３１が並列に対向するようになっている。モータ１では、ケース４にブラケット８を取り付けた後、バスバー端子３２と外部給電用端子３１を溶接固定する。ブラケット８にはそのための作業孔３３が形成されおり、作業孔３３には、溶接工程後にブラケットキャップ３４が取り付けられる。

ところで、当該モータ１では、従来のブラシレスモータと異なり、コイル６がΔ結線にて接続されている。これは、モータ１では、マグネットの磁束分布が台形状となるリングマグネット１６を用いているため、従来と同様にコイル６をＹ結線とすると、線間誘起電圧波形が台形波とならず、トルクリップルを０とする電流波形もまた台形波ではなくなり、ピーク電流値を抑えられなくなるためである。台形波電流は、正弦波電流に比して波高値が抑えられるため、ピーク電流値を下げることができる一方、同じピーク電流値の場合、台形波の方が多く電流を流すことができ、モータ出力も増大する。これに対し、電流波形が凸部を持つ非台形波となると、ピーク電流値が抑えられず、その分、電流を多く流すことができなくなり、モータ出力が抑えられてしまう。

そこで、モータ１では、Ｙ結線と等価交換可能であり、しかも、５次と７次の高調波の符号が反転するΔ結線をコイル６に採用し、線間誘起電圧を台形波化してピーク電流値の抑制を図っている。つまり、本発明のモータ１は、スキュー着磁が容易、かつ、スキュー角度のバラツキが少ないリングマグネット１６を使用して、トルクリップルの低減を図る一方、リングマグネットの使用によるピーク電流値増大という弊害をΔ結線の採用により解消している。

一方、２Ｐ３Ｓの整数倍の構造（モータ１は、２Ｐ３Ｓ×３＝６Ｐ９Ｓ）を有するモータの誘起電圧には、５次以上の奇数次の高調波成分が含まれており、その中でも５次成分が最も多く含まれる。なお、２Ｐ３Ｓ×ｎの場合、Δ結線にて循環電流となる３次高調波は、短節巻係数Ｋｐ＝cos{n・(1-β)・π/2｝＝０となるため発生しない（ｎ：次数，β：コイルピッチ／極ピッチ角、２Ｐ３Ｓではβ＝２/３となり、ｎ＝３の場合にはcosは０）。また、基本波に５次高調波成分のみを含ませると、線間誘起電圧が略台形波となり、このとき、モータ駆動電流を台形波とすれば、前述のように、トルクリップルを０に近付けることができ、ピーク電流値も下げることができる。

そこで、発明者らは、２Ｐ３Ｓ×ｎ構造のモータの前記特性に着目し、高調波成分を可能な限り５次成分のみとし、他の次数成分を少なくする構成を検討した。そして、各種実験の結果、次の結論を得た。

（１）誘起電圧の基本波に対する５次高調波成分の含有率を４.５％〜６.５％とすると、正弦波駆動に対してトルクや回転数が効果的に増大する。

（２）スキュー角を電気角３９°≦θskew≦５４°とすると、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率が大きく（９０％）なる。なお、電気角３９°≦θskew≦５４°は、６Ｐ９Ｓのモータにおける機械角１３°≦θskew≦１８°に相当する。

（３）マグネット１６における着磁角θｒを０.５≦θｒ／θｐ≦０.９、好ましくは０.５２≦θｒ／θｐ≦０.８６とすると、（２）の条件を満たしつつ、５次高調波成分の含有率が概ね４.５％〜６.５％となる（θｐ：極ピッチ角）。

以下、前記（１）〜（３）のそれぞれについて、実験結果に基づいて説明する。まず、（１）に関し、図３は、５次高調波成分の含有率と、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率との関係を示したグラフである。図３に示すように、５次高調波成分が大きくなるにつれてトルクや回転数も大きくなるが、ある量を超えると逆に低下する。また、トルク増加率と回転数増加率の変化には差異があり、前者は約５％、後者は約６.５％でピークとなる。そこで、両者が３％以上の増加率を確保できる範囲を有効と考え、（１）のように、含有率４.５％〜６.５％が好ましいとの結論を得た。

次に、（２）に関し、図４は、６Ｐ９Ｓのモータにおけるスキュー角（電気角）と、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率との関係を示したグラフである。図４に示すように、スキュー角が大きくなるにつれて５次高調波成分の含有率も大きくなるが、５４°を超えると低下し、６６°を超えると急減する。そこで、５次高調波成分の含有率が９０％以上となる範囲を有効と考え、（２）のように、２Ｐ３Ｓ×ｎのモータにて、スキュー角（電気角）３９°≦θskew（電気角）≦５４°（６Ｐ９Ｓ：機械角１３°≦θskew≦１８°）が好ましいとの結論を得た。なお、図４はマグネット幅や内外径の偏芯量等を変えたモータにて、前記関係を調べたものであるが、両者の関係には、マグネット形態に依らず同様の傾向が得られた。

さらに、（３）に関し、図５は、６Ｐ９Ｓのモータにおけるθｒ／θｐ（着磁角／極ピッチ角）と、誘起電圧中の５次高調波成分の含有率との関係を、スキュー角をパラメータとして調べた結果を示すグラフである。また、図６（ａ）（ｂ）は、着磁角θｒと極ピッチ角θｐの関係を示す説明図である。図６（ａ）に示すように、極ピッチ角θｐは、ロータ３の回転中心Ｏに対する各磁極の中心角であり、ここでは、６極構成のため、θｐ＝６０°（機械角）となる。これに対し、着磁角θｒは、図６（ｂ）に示すように、各磁極中（ピッチθｐ）にて所定の磁力を有する範囲を示している。マグネット１６では、このθｒの範囲が軸方向に沿って帯状に延びており、この帯状の部分を傾斜させることによりスキュー構造が形成されている。

図５に示すように、着磁角と極ピッチ角の比θｒ／θｐが０.４を超えると、比が大きくなるに連れて５次高調波成分の含有率も大きくなる。また、スキュー角が小さいと、５次高調波成分の含有率も大きくなる。そこで、スキュー角が３９°≦θskew（電気角）≦５４°で、しかも、５次高調波成分の含有率が４.５％〜６.５％となる範囲を見ると、図５に斜線を施した部分がそれを満たす範囲となる。すなわち、０.５≦θｒ／θｐ≦０.９とすると、（１）と（２）を共に満たすモータを得ることができる。

このように、本発明のブラシレスモータでは、ロータ３の磁極として、リングマグネット１６を使用することにより、スキュー着磁が容易となり、スキュー角度のバラツキも抑えられるため、モータ性能のバラツキを抑えることが可能となる。また、リングマグネット１６の使用に伴い、従来同様、コイル６をＹ結線とするとピーク電流値が増大し出力低下を招くことから、Ｙ結線と等価交換可能なΔ結線の採用により、線間誘起電圧を台形波化し、ピーク電流値を抑え、出力の増大を図っている。

さらに、線間誘起電圧を台形波化する観点から５次高調波成分に着目し、その含有率を４.５％〜６.５％とすると共に、スキュー角を電気角３９°≦θskew≦５４°とすることにより、５次高調波成分の含有率を高め、トルクや回転数が効果的に増大させる。その場合、リングマグネット１６では、着磁角θｒと極ピッチ角θｐの比を０.５≦θｒ／θｐ≦０.９とすると、スキュー角の前記条件を満たしつつ、５次高調波成分の含有率が概ね４.５％〜６.５％の範囲に収まる。従って、リングマグネット１６を使用しコイル６をΔ結線とすると共に、θｒ／θｐを０.５〜０.９（好ましくは、０.５２〜０.８６）の範囲に設定することにより、高出力と低トルクリップルを共に満たしつつ、スキュー着磁が容易で性能にバラツキが少ないブラシレスモータを実現することが可能となる。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、前述の実施例では、コラムアシスト式のＥＰＳに使用されるブラシレスモータを示したが、他の方式のＥＰＳ用モータにも本発明は適用可能である。加えて、ＥＰＳや各種車載電動品用のモータのみならず、本発明は、広くブラシレスモータ一般にも適用可能である。また、前述の実施例では、マグネットを６個用いた６極９スロットのブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、モータのマグネットやスロットの構成はこれには限定されず、本発明は、２極３スロットの整数倍の構成のブラシレスモータに広く適用可能である。

本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。 図１のモータにおけるステータの構成を示す説明図である。 誘起電圧中の５次高調波成分の含有率と、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率との関係を示したグラフである。 ６極９スロットのモータにおけるスキュー角（電気角）と、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率との関係を示したグラフである。 ６Ｐ９Ｓのモータにおけるθｒ／θｐ（着磁角／極ピッチ角）と、誘起電圧中の５次高調波成分の含有率との関係を、スキュー角をパラメータとして調べた結果を示すグラフである。 図１のモータにおけるマグネットの形状を示す説明図である。

符号の説明

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ケース
５ ステータコア
５ａ ティース
６ コイル
６ａ 端部
７ バスバーユニット
８ ブラケット
９ 分割コア
１１ インシュレータ
１２ 給電用端子
１３ ロータシャフト
１４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ ロータコア
１６ リングマグネット
１７ マグネットカバー
１８ キー
２１ レゾルバ
２２ ロータ
２３ レゾルバステータ
２４ レゾルバホルダ
２４ａ フランジ部
２５ ブラケットホルダユニット
２６ リブ
２７ 雌ネジ部
２８ 取付ネジ
２９ 給電配線
３１ 外部給電用端子
３２ バスバー端子
３３ 作業孔
３４ ブラケットキャップ
Ｏ ロータ回転中心
θskew スキュー角
θｐ 極ピッチ角
θｒ 着磁角

Claims (3)

1. ２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータであって、
   前記磁極を形成するマグネットとして、周方向に沿って磁極が配置されたリングマグネットを使用すると共に、前記ステータに巻装されるコイルをΔ結線し、
   前記マグネットの着磁角θｒと前記磁極の極ピッチ角θｐとの比θｒ／θｐを０.５≦θｒ／θｐ≦０.９、前記ロータのスキュー角θskewを電気角３９°≦θskew≦５４°とすることにより、
   前記ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を４.５％〜６.５％に設定し、線間誘起電圧を台形波化したことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、６個（ｎ＝３）の前記磁極と、９個の前記スロットを有する６極９スロット構造であることを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリングの駆動源として使用されるモータであることを特徴とするブラシレスモータ。

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