JP2003199383A

JP2003199383A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP2003199383A
Application number: JP2001400856A
Authority: JP
Inventors: Ryuichi Takakusaki; 竜一高草木; Takeshi Yoda; 健依田
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】擬似的多スロット化を施したブラシレスモー
タにおいて、コギングトルクを確実に減少させ得る最適
なモータ構造を提供する。【解決手段】リングマグネット２を備えるロータ３
と、ティース８が周方向に沿ってピッチＰにて複数個配
置されたステータ４とを有してなるブラシレスモータ１
において、ティース８の先端部に周方向に沿ってＮ個の
サブティース１１をピッチＰ／Ｎにて形成する。また、
リングマグネット２の磁極境界１２をサブティース１１
が通過する際に、磁極境界１２近傍にてサブティース１
１とリングマグネット２との間に作用する斥力（−）と
引力（＋）の各極大値間のピッチがＰ／Ｎとなるように
リングマグネット２を着磁する。コギング力の正負の極
大値は、隣接するサブティース１１に生じるコギング力
の極大値によって相当部分打ち消され、全コギング力が
大幅に低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブラシレスモータ
に関し、特に、コギングトルクの低減を図ったブラシレ
スモータ関する。

【０００２】

【従来の技術】ブラシレスモータは、ブラシ・整流子間
のような機械的接点がないため、ブラシの摩耗や電気ノ
イズ等の問題がなく、近年、種々の分野にて多用されて
いる。例えば、ロボット等の産業用機械やパソコン等の
ＩＴ機器、自動車用電動パワーステアリング（以下、Ｅ
ＰＳと略記する）など、半導体制御回路の発達に伴い、
それらの駆動源としてブラシレスモータを採用するケー
スが増加している。ところが、このようなブラシレスモ
ータでは、ロータ側の永久磁石とステータ側のコアティ
ースとの間の吸引力により、いわゆるコギングトルクが
生じやすい傾向がある。かかるコギングトルクは、騒音
や振動の原因となるのみならず、ＥＰＳ用モータにおい
ては操舵感を悪化させる一因ともなる。

【０００３】コギングトルクを減少させる方策として
は、まず、ステータの多スロット化によりトルクムラを
細分化してそれを小さく抑えることが考えられる。しか
しながら、スロットを無限に多くすることは不可能であ
り、多スロット化はモータサイズの面から自ずと限界が
ある。このため、従来よりコアティースの先端部を二股
状に分割形成し、これによって擬似的に多スロット化を
図る方法が提案されている。例えば、実公平7-47981号
公報のブラシレスモータでは、ティース先端に１／２ス
ロットピッチの補助溝を設け、見かけ上スロットが倍増
したような構成としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな擬似的多スロット化においては、コギングトルクを
減少させる最適なモータ構造、特に、界磁極との関係が
十分解析されておらず、単に見かけ上スロット数を増加
させても必ずしもコギングトルクが減少するとは限らな
い。このため、擬似的多スロット化に際し、その最適構
造を得るために多くの試行錯誤を繰り返す必要があり、
製品開発上の大きな問題となっていた。

【０００５】本発明の目的は、擬似的多スロット化を施
したブラシレスモータにおいて、コギングトルクを確実
に減少させ得る最適なモータ構造を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のブラシレスモー
タは、永久磁石を備えるロータと、コイルが巻装される
ティースを周方向に沿ってピッチＰにて複数個配置した
ステータとを有してなるブラシレスモータであって、前
記ティースの先端部に、周方向に沿ってＮ個のサブティ
ースをピッチＰ／Ｎにて形成すると共に、前記ロータの
回転に際し前記サブティースと前記永久磁石との間に生
じるコギング力の極大値間ピッチをＰ／Ｎとしたことを
特徴とする。

【０００７】本発明にあっては、ブラシレスモータにお
いて、「コギング力の極大値間ピッチ＝サブティースピ
ッチ＝１／Ｎティースピッチ：Ｎ＝サブティース形成個
数」とすることにより、隣接するサブティースに半周期
ずれた同波形のコギング力が生じることとなり、コギン
グ力の正負の極大値が相当部分打ち消され、全コギング
力を大幅に低減することが可能となる。従って、コギン
グに起因する騒音や振動を低減することができると共
に、最適構造を得るための多くの試行錯誤を繰り返す必
要がなく、製品設計を効率良く行うことが可能となる。

【０００８】この場合、前記コギング力の極大値とし
て、前記永久磁石の磁極境界位置を前記サブティースが
通過する際に、前記磁極境界近傍にて前記サブティース
と前記永久磁石との間に作用する斥力と引力の各極大値
を採用することが可能である。また、前記永久磁石を、
前記コギング力の極大値間ピッチがＰ／Ｎとなるように
着磁することも可能である。

【０００９】さらに、前記ブラシレスモータにおいて、
前記サブティースを前記ティース先端部に２個形成し
（Ｎ＝２）、前記コギング力の極大値間ピッチ及び前記
サブティース間ピッチを１／２ティースピッチＰとして
も良く、前記サブティースを前記ティース先端部に３個
形成し（Ｎ＝３）、前記コギング力の極大値間ピッチ及
び前記サブティース間ピッチを１／３ティースピッチＰ
としても良い。

【００１０】一方、前記ブラシレスモータを電動パワー
ステアリング用のモータとして用いても良く、これによ
り、コギングに起因する騒音や振動が低減され、操舵感
の向上を図ることが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、
本発明の実施の形態１であるブラシレスモータの構成を
示す断面図である。図１に示すように、本発明によるブ
ラシレスモータ１は、リングマグネット（永久磁石）２
を備えたロータ３の周囲にステータ４を配したインナー
ロータ型のモータとなっている。この場合、ロータ３
は、ヨークを兼ねた金属製のシャフト５と、シャフト５
の外周に固定された４極のリングマグネット２とから構
成されている。また、ステータ４は、ハウジング６と、
ハウジング６の内周側に固定されたステータコア７と、
ステータコア７のティース８にコイルが分布巻又は波巻
にて巻装された巻線９とから構成されている。そして、
ハウジング６内には、ロータ３の回転位置を検出するた
めのホール素子（図示せず）が配設されており、その検
出信号に基づき巻線９への電流を適宜切り替え、ロータ
３を回転駆動させる回転磁界を形成している。

【００１２】当該ブラシレスモータ１は、２０（偶数）
スロット構成となっており、ステータコア７のティース
８は、周方向に沿って等分に２０個形成されている。す
なわち、ティース８はピッチＰ₁＝３６０度／２０＝１
８度にて放射状に設けられている。また、ティース８の
先端部は二股に分割されており、２個のサブティース１
１が形成されている。この場合、各サブティース１１
は、ティース８のピッチＰ₁に対しピッチＰ₁／２＝９度
（Ｐ₁／Ｎ：Ｎ＝２）にて周方向に沿って等分に配置さ
れている。

【００１３】一方、このようなサブティース１１を有す
るロータ３をシャフト５から回転させると、サブティー
ス１１とリングマグネット２との間の磁気吸引力によっ
て、コギング力が発生する。図２は、ロータ３の回転に
伴って発生するコギング力を示す説明図である。図２に
示すように、ロータ３の回転に伴ってサブティース１１
の先端部中央が磁極境界に近付くと、サブティース１１
とリングマグネット２との間には、ロータ回転方向と逆
向き（ここでは負の方向とする）の斥力が発生する。こ
の斥力は、境界前に極大値を示した後、急速に減少し、
サブティース１１の先端部中央が磁極境界と対向する位
置に来たとき０となる。磁極境界を過ぎると、サブティ
ース１１とリングマグネット２との間には、先の場合と
は逆にロータ回転方向と同じ向き（ここでは正の方向と
する）の引力が働く。この引力もまた、ロータ３の回転
に伴って極大値を迎え、その後ロータ３の回転と共に減
少する。

【００１４】この場合、ゴツゴツとしたコギング現象
は、専ら斥力と引力の極大値間に生じる力の急激な変化
によって感知される。そこで、かかるコギング力を解析
するに当たり、簡単のため、図３のような正負のピーク
値を取り出したモデルにて検討を行うことにする。図３
は、サブティース１１とリングマグネット２との間に働
くコギング力のモデルを示す説明図である。当該モデル
では、図３に示すように、サブティース１１の先端部中
央が磁極境界と対向する位置を境に正弦波形状のコギン
グ力が生じると近似している。すなわち、コギング力の
正負の極大値は等しく、対向位置前後にコギング力は対
称に存在し、その他の位置では０となると見なしてい
る。

【００１５】次に、図３のようなコギング力が各サブテ
ィース１１とリングマグネット２との間に作用した場合
について考察する。ここでは、まず１個のティース８に
おける２個のサブティース１１ａ，１１ｂについて見た
後、装置全体について考察する。図４は、隣接する２個
のサブティース１１ａ，１１ｂとリングマグネット２と
の間に生じるコギング力についての説明図であり、
（ａ）はサブティース１１ａ，１１ｂとリングマグネッ
ト２の位置関係、（ｂ）は各サブティース１１ａ，１１
ｂに関するコギング力、（ｃ）はサブティース１１ａ，
１１ｂのコギング力を総合した場合を示している。

【００１６】図４（ａ）に示すように、ここではロータ
３の回転に伴って、まずサブティース１１ａが磁極境界
１２に近付き、サブティース１１ａを磁極境界１２が通
過した後、サブティース１１ｂが磁極境界１２に近付
く。そこで、サブティース１１ａに関しては、図３のモ
デルに従い、図４（ｂ）に実線にて示したようにコギン
グ力が発生する（波形１３ａ）。一方、サブティース１
１ｂに関しては、図４（ｂ）に破線にて示したようにコ
ギング力が発生する（波形１３ｂ）。ここで、前述のよ
うに、コギング力は正負対称に存在し、その極大値は等
しい。このため、図４（ｂ）に示すように、正負の極大
値ピッチがサブティース１１ａ，１１ｂ間のピッチ（＝
Ｐ₁／２）に等しくなれば、図４（ａ）のように、磁極
境界１２から遠ざかりつつあるサブティース１１ａの正
のコギング力と、磁極境界１２に近付きつつあるサブテ
ィース１１ｂの負のコギング力が相殺し合うことにな
る。従って、図４（ｃ）に示すように、ティース８が磁
極境界１２を跨ぐときのコギング力は、両サブティース
１１ａ，ｂの作用により０となる。

【００１７】そこで、これをさらに拡張し装置全体につ
いてコギング力の消長を検討する。なお、４極２０スロ
ットの当該ブラシレスモータ１では、形状の対称性から
９０度離れた位置にあるティース８同士のコギング力は
相等しくなる。すなわち、コギング力は９０度周期を有
しており、従って、５ティース８０度分のコギング力を
検討すれば全周に亘るコギング力を解析することができ
る。このため、ここでは隣接する５ティースのコギング
力について検討を加える。

【００１８】図５は、ブラシレスモータ１における各テ
ィース８の先端部分に作用するコギング力を５ティース
に亘ってロータ回転角で追った説明図である。図５にお
ける各波形の回転角ごとの位置は、磁極境界１２がその
回転角位置に存在するときのコギング力を示している。
例えば、波形１３ｅ⁺におけるｘ点は、磁極境界１２が
図５に示す位置に来たときにサブティース１１ｅとリン
グマグネット２との間に生じるコギング力を示してい
る。なお、図中の符号に付したａ〜ｊの添え字及び丸数
字は対応関係にあり、例えば、サブティース１１ａ
（）に関するコギング力が波形１３ａ（）となって
いる。また、波形の符号に付した＋,−は、それぞれ、
引力，斥力を示している。

【００１９】図５に示すように、サブティース１１ａの
正のコギング力（波形１３ａ⁺）は、サブティース１１
ｂの負のコギング力（波形１３ｂ^-）にて相殺される。
また、サブティース１１ｂの正のコギング力（波形１３
ｂ⁺）は、サブティース１１ｃの負のコギング力（波形
１３ｃ^-）にて相殺される。同様に、サブティース１１
ｃ〜１１ｉの正のコギング力（波形１３ｃ⁺〜１３ｉ⁺）
は、サブティース１１ｄ〜１１ｊの負のコギング力（波
形１３ｄ^-〜１３ｊ^-）にて相殺される。すなわち、ここ
では隣接するサブティース１１に半周期ずれた同波形の
コギング力が生じることとなり、それらは互いに打ち消
し合うようになる。なお、両端のサブティース１１ａ，
１１ｊでは、図５の範囲（９０度）ではコギング力が相
殺されずに残存しているが、サブティース１１ａ，１１
ｊの両側にある他のサブティース１１によってこれらも
相殺される。

【００２０】このように、当該ブラシレスモータ１で
は、ロータ３の回転に伴って発生するコギング力は、隣
接するサブティース１１のコギング力によって互いに相
殺される。すなわち、「コギング力の極大値間ピッチ＝
サブティースピッチ＝１／２ティースピッチＰ₁」と設
定することにより、全てのティース先端コギングの和が
打ち消し合って０となる。この場合、「サブティースピ
ッチ＝１／２ティースピッチＰ₁」とすることは、ステ
ータコア７の製造上の問題であり、容易に実現可能であ
る。また、「コギング力の極大値間ピッチ＝１／２ティ
ースピッチＰ₁」とすることもリングマグネット２の着
磁波形チューニングによって実現可能である。従って、
これらの要件は何れも容易に達成でき、これにより、ロ
ータ３の回転に伴うコギング発生をモデル波形による解
析では理論上０にすることができる。

【００２１】ところで、このような解析は図３のような
モデル波形での結論であり、図２のような実際のコギン
グ波形では必ずしも成立しない。すなわち、実際のコギ
ング力は、正負の極大値が等しいとは限らず、磁極境界
通過前後でコギング力が対称となるとも言い切れない。
また、磁極境界通過の前後以外でも０とはならない。し
かしながら、「コギング力の極大値間ピッチ＝サブティ
ースピッチ＝１／２ティースピッチＰ₁」と設定するこ
とにより、正負の極大値を相当部分打ち消すことができ
るため、全コギング力を０とはならないまでも、大幅に
低減することが可能となる。従って、コギングに起因す
る騒音や振動を低減することができると共に、ＥＰＳ用
モータに当該構成を適用することにより、操舵感の向上
を図ることが可能となる。

【００２２】また、サブティース１１を用いて擬似的多
スロット化を行うに当たっても、前述の条件を満たすよ
うに部品設計を行えば、コギング低減に相当の効果があ
ることが期待できる。このため、最適構造を得るための
多くの試行錯誤を繰り返す必要がなく、製品設計を効率
良く行うことが可能となる。

【００２３】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形
態２として、奇数スロットのブラシレスモータにおい
て、ティース８を三股に分割形成してサブティース１１
を３個設けたものについて説明する。図６は、本発明の
実施の形態２であるブラシレスモータにおける各ティー
ス８の先端部分に作用するコギング力をロータ回転角で
追った説明図である。なお、実施の形態１と同様の部
材、部分等については同一の符号を付し、その説明は省
略する。

【００２４】当該ブラシレスモータは３スロット構成と
なっており、ピッチＰ₂にて周方向に等分に配置された
Ａ，Ｂ，Ｃの３個のティース８を有している。各ティー
ス８の先端は三股に分割形成され、３個のサブティース
１１が形成されている。この場合、各サブティース１１
は、ティース８のピッチＰ₂に対しピッチＰ₂／３（Ｐ ₂
／Ｎ：Ｎ＝３）にて周方向に沿って等分に配置されてい
る。

【００２５】図６に示すように、ここでもサブティース
１１ａ〜１１ｉの正のコギング力（波形１３ａ⁺〜１３
ｉ⁺）は、サブティース１１ｂ〜１１ａの負のコギング
力（波形１３ｂ^-〜１３ａ^-）にて相殺される。これを先
の場合と同様に１個のティース８から順に見て行くと、
図７（ａ）に示すように、まず、サブティース１１ａの
正のコギング力（波形１３ａ⁺）は、サブティース１１
ｂの負のコギング力（波形１３ｂ^-）にて相殺される。
次に、サブティース１１ｂの正のコギング力（波形１３
ｂ⁺）は、サブティース１１ｃの負のコギング力（波形
１３ｃ^-）にて相殺される。そして、１個のティース８
について見れば、サブティース１１ａの負のコギング力
（波形１３ａ^-）と、サブティース１１ｃの正のコギン
グ力（波形１３ｃ⁺）が残存する。

【００２６】そこで、３個のティース８を合わせて考え
ると、各ティース８の両端に残存するコギング力は、隣
接するティース８に残存するコギング力にて相殺され
る。つまり、図７（ｂ）に示すように、サブティース１
１ａの負のコギング力（波形１３ａ^-）は、サブティー
ス１１ｉの正のコギング力（波形１３ｉ⁺）にて相殺さ
れる。同様に、波形１３ｃ⁺（以下、簡単のため波形に
て説明する）は波形１３ｄ^-にて、波形１３ｆ⁺は波形１
３ｇ^-にて、波形１３ｉ⁺は波形１３ａ^-にてそれぞれ相
殺される。これにより、図７（ｃ）に示すように、コギ
ング力は全て打ち消し合って消滅し、ロータ３の回転に
伴うコギング発生は理論上０となる。なお、この場合も
実際のコギング波形とは異なるモデル波形による解析で
あるが、前述同様、正負の極大値を相当部分打ち消すこ
とができるため、コギングを大幅に低減することができ
る。

【００２７】本発明は前記実施の形態に限定されるもの
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、サブティース１１
の形成個数は前述の形態には限定されず、４個以上のサ
ブティースを形成することも可能である。この際、例え
ば４個では、前述の条件は「コギング力の極大値間ピッ
チ＝サブティースピッチ＝１／４ティースピッチ」とな
る。つまり、一般的に言えば、前述の条件は「コギング
力の極大値間ピッチ＝サブティースピッチ＝１／Ｎティ
ースピッチ：Ｎ＝サブティース形成個数」と言うことに
なる。

【００２８】

【発明の効果】本発明のブラシレスモータによれば、ピ
ッチＰにて設けられたティース先端部に、Ｎ個のサブテ
ィースをピッチＰ／Ｎにて形成すると共に、コギング力
の極大値間ピッチがＰ／Ｎとなるように設定したので、
コギング力の正負の極大値を相当部分打ち消すことがで
き、全コギング力を大幅に低減することが可能となる。
従って、コギングに起因する騒音や振動を低減すること
ができると共に、最適構造を得るための多くの試行錯誤
を繰り返す必要がなく、製品設計を効率良く行うことが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１であるブラシレスモータ
の構成を示す断面図である。

【図２】ロータの回転に伴って発生するコギング力を示
す説明図である。

【図３】サブティースとリングマグネットとの間に働く
コギング力のモデルを示す説明図である。

【図４】隣接する２個のサブティースとリングマグネッ
トとの間に生じるコギング力についての説明図であり、
（ａ）はサブティースとリングマグネットの位置関係、
（ｂ）は各サブティースに関するコギング力、（ｃ）は
２個のサブティースのコギング力を総合した場合を示し
ている。

【図５】ブラシレスモータにおける各ティースの先端部
分に作用するコギング力を５ティースに亘ってロータ回
転角で追った説明図である。

【図６】本発明の実施の形態２であるブラシレスモータ
における各ティースの先端部分に作用するコギング力を
ロータ回転角で追った説明図である。

【図７】実施の形態２におけるサブティースとリングマ
グネットとの間に生じるコギング力についての説明図で
あり、（ａ）は３個のサブティースを有する１個のティ
ースでのコギング力、（ｂ）はティースを３個配した場
合のコギング力、（ｃ）は全コギング力を総合した場合
を示している。

【符号の説明】

１ブラシレスモータ２リングマグネット（永久磁石）３ロータ４ステータ５シャフト６ハウジング７ステータコア８ティース９巻線１１サブティース１１ａ〜１１ｊサブティース１２磁極境界１３ａ〜１３ｊコギング力波形Ｐ₁，Ｐ₂ ティースピッチ（Ｐ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3D033 CA03 5H019 AA03 CC03 CC06 DD04 EE03 EE04 EE14 5H560 AA08 BB12 DA02 DC14 HA03 JJ12 RR01 XB03 5H580 AA08 BB02 BB07 CA02 CA03 FB07 HH09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石を備えるロータと、コイルが巻
装されるティースを周方向に沿ってピッチＰにて複数個
配置したステータとを有してなるブラシレスモータであ
って、前記ティースの先端部に、周方向に沿ってＮ個のサブテ
ィースをピッチＰ／Ｎにて形成すると共に、前記ロータの回転に際し前記サブティースと前記永久磁
石との間に生じるコギング力の極大値間ピッチをＰ／Ｎ
としたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】請求項１記載のブラシレスモータにおい
て、前記コギング力の極大値は、前記永久磁石の磁極境
界位置を前記サブティースが通過する際に、前記磁極境
界近傍にて前記サブティースと前記永久磁石との間に作
用する斥力と引力の各極大値であることを特徴とするブ
ラシレスモータ。
【請求項３】請求項１又は２記載のブラシレスモータ
において、前記永久磁石は、前記コギング力の極大値間
ピッチがＰ／Ｎとなるように着磁されてなることを特徴
とするブラシレスモータ。
【請求項４】請求項１〜３の何れか１項に記載のブラ
シレスモータにおいて、前記サブティースを前記ティー
ス先端部に２個形成し、前記コギング力の極大値間ピッ
チ及び前記サブティース間ピッチを１／２ティースピッ
チＰとしたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項５】請求項１〜３の何れか１項に記載のブラ
シレスモータにおいて、前記サブティースを前記ティー
ス先端部に３個形成し、前記コギング力の極大値間ピッ
チ及び前記サブティース間ピッチを１／３ティースピッ
チＰとしたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項６】請求項１〜５の何れか１項に記載のブラ
シレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは電動パ
ワーステアリング用のモータであることを特徴とするブ
ラシレスモータ。