JP2004129486A

JP2004129486A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP2004129486A
Application number: JP2003202115A
Authority: JP
Inventors: Takao Yabumi; 藪見　崇生
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】コギングトルクおよびトルクリップルが共に高度に低減され、これにより極めて滑らかな回転出力を得るとともに、非通電時においても回転が極めて滑らかなブラシレスモータを提供する。
【解決手段】ロータ１に永久磁石が用いられているアウターロータ型のブラシレスモータＡであって、前記永久磁石の着磁１１が、台形波着磁とスキュー着磁との組合せによりなされ、スキュー着磁のスキュー角度が基準角度に対し±１５％の範囲とされてなるものである。
【選択図】　図１

Description

【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する。さらに詳しくは、例えばＥＰＳ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ａｓｓｉｓｔ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ；電気式パワーステアリング）の動力源として用いるのに適した、コギングトルクおよびトルクリップルが充分に低減されたブラシレスモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に適用されるパワーステアリングとして、近年、電気式パワーステアリング（以下、ＥＰＳという）が注目を集めるようになってきている。ＥＰＳは、油圧式パワーステアリングにおいて必要とされるポンプ、配管を省略できるため、機構の単純化および車両の軽量化を図る上で有利である。
【０００３】
図１０に、従来の一般的なＥＰＳの構造を示す。このＥＰＳは、ハンドル１０１を軸支するコラム１０２とインターミディエイトシャフト１０３との接続部にモータ１０４を配し、車両速度に応じた力でハンドリングをアシストするようにモータ１０４を制御するものとされる。このようなＥＰＳにおいて、モータは、ハンドルフィーリングに影響しないようにトルクリップルが１％以下に抑えられることが好ましいものとされる（例えば、日本機械学会誌　２００２．１　Ｖｏｌ．１０５　Ｎｏ．９９８、第５８頁参照）。
【０００４】
そして、従来、ＥＰＳの駆動源として、トルクリップルが小さく、トルク制御がしやすいといった利点から、ブラシ付直流モータが主として用いられている。ところが、ＥＰＳ用のモータは運転席の近くに配置されるものであるため、ブラシ付モータを用いるとその発する騒音が問題となる。
【０００５】
そこで、静粛性および耐久性に優れたブラシレスモータを用いるとともに、公知ではないが、ＥＰＳ用モータに正弦波電流による駆動方式を採用してトルクリップルを抑えようとする試みが行われている。ところが、ＥＰＳ用のモータにおいては、通電時にトルクリップルを抑えて滑らかにハンドリングをアシストする必要がある一方で、非通電時にもハンドルをとられないようにコギングトルクを充分に抑えることが要求される。
【０００６】
ここで、トルクリップルを抑えるとともにコギングトルクを低減する方策として、モータにスキューを施すことが考えられる（例えば、特開平１０−１７８７６６号公報参照）。ところが、ＥＰＳ用のモータにおいて必要とされるトルクリップルおよびコギングトルク低減の程度は非常に高く、コギングトルクを低減するようにスキュー角度を設定すると、充分にトルクリップルを低減することができず、逆にトルクリップルを低減するようにスキュー角度を設定すると、この場合にはコギングトルクを充分に低減することができないといったジレンマに陥る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、コギングトルクおよびトルクリップルが共に高度に低減され、これにより極めて滑らかな回転出力を得るとともに、非通電時においても回転が極めて滑らかなブラシレスモータを提供することを目的としている。
【０００８】
【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、ロータに永久磁石が用いられているブラシレスモータであって、前記永久磁石の着磁が、台形波着磁とスキュー着磁との組合せによりなされることを特徴とする。
【０００９】
本発明のブラシレスモータにおいては、台形波着磁における着磁傾斜範囲が、下記式により規定されてなるのが好ましい。
【００１０】
α＜θ_Ｒ＜β
【００１１】
ここに、
θ_Ｒ：着磁傾斜部分の幅
α：（ティース間の角度）／２
β：３６０度／｛（ステータの極数）×２｝
【００１２】
また、本発明のブラシレスモータにおいては、スキュー角度が、基準角度に対して±１５％の範囲とされてなるのが好ましい。
【００１３】
【作用】
本発明のブラシレスモータは、前記の如く構成されているので、コギングトルクおよびトルクリップルが共に高度に低減され、これにより極めて滑らかな回転出力が得られるとともに、非通電時においても回転が極めて滑らかなとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００１５】
図１、図２および図３に、本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの概略構成を示す。
【００１６】
図１に、ブラシレスモータ（以下単にモータという）の横断面図を示し、このモータＡは、円筒体形状の永久磁石からなるロータ１を有し、その中空部分１ａにステータ２が配されてなるアウタロータ型モータとされる。
【００１７】
ステータ２は、所定形状の鋼板を所要枚数積層してなるものとされ、円筒状のステータヨーク２ａと、ステータヨーク２ａ外周面円周方向に所定間隔、例えば４０°ピッチで放射状に設けられる９個のステータネック２ｂ、２ｂ、…と、ステータネック２ｂ、２ｂ、…の各先端に形成されるステータティース２ｃ、２ｃ、…を備え、ステータネック２ｂ、２ｂ、…に駆動コイル２ｄ、２ｄ、２ｄ、…が巻回されている。
【００１８】
駆動コイル２ｄは、３相の駆動コイル、すなわちＵ相駆動コイル２ｄＵ、Ｖ相駆動コイル２ｄＶおよびＷ相駆動コイル２ｄＷからなり、図１における時計回り方向に、Ｕ相駆動コイル２ｄＵの隣にＶ相駆動コイル２ｄＶが位置し、Ｖ相駆動コイル２ｄＶの隣にＷ相駆動コイル２ｄＷが位置し、Ｗ相駆動コイル２ｄＷの隣にＵ相駆動コイル２ｄＵが位置するようにステータネック２ｂ、２ｂ、…に巻回されている。
【００１９】
図２および図３に、ロータ１の詳細を示す。図２に示すように、ロータ１は、等幅帯状のＮ極、Ｓ極の各磁極１１が周方向に交互に並べられるようにして形成される、フェライト磁石、アルニコ磁石、Ｓｍ−Ｃｏ系磁石、希土類−Ｆｅ系磁石などの各種永久磁石を円筒状体に成形したものとされる。
【００２０】
ロータ１の磁極１１は、図４に示すように、着磁強さが周方向に一端（Ｄ_１）から他端（Ｄ_２）に向かって台形状に変化するようされている。すなわち、ロータ１の磁極１１は、隣接する両側の磁極１１との境界線Ｄから所定範囲の部分に着磁強さが直線的に変化するようされた着磁傾斜部分Ｐが設けられるものとされる。
【００２１】
このとき、着磁傾斜部分Ｐが設けられる範囲（ロータ１の中心軸Ｉ周りの角度で表す。以下、着磁傾斜範囲という）θ_Ｒは、下記不等式１により示される範囲内の角度とされる。
【００２２】
α＜θ_Ｒ＜β　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
【００２３】
ただし、α：（ティース２ｃ間の角度θ_Ｔ）／２、β：３６０度／｛（ステータの極数）×２｝、である。
【００２４】
この結果、誘起電圧の高調波成分が低減されてその波形が理想的な正弦波により近づくことになり、トルクリップルを充分に低減することが可能となる。すなわち、モータＡの駆動電流と誘起電圧が共に正弦波形に近づくときトルクリップルが最も小さくなるからである。
【００２５】
ここで、高調波含有率γ（後掲の実施例参照）を最も小さくするときのθ_Ｒ値はステータ２の形状に応じて前記式１の範囲で変動する。
【００２６】
また、図３に示すように、ロータ１の磁極１１は所定角度θ_Ｓのスキューを付けるようにして形成されている。この角度（以下、スキュー角度ともいう）θ_Ｓは、着磁傾斜範囲θ_Ｒが前記不等式１を満たすよう設定された条件の下でコギングトルクが最も小さくなるように所定の基準により設定される。すなわち、スキュー角度θ_Ｓは、３６０度をステータ２の極数とロータ１の極数の最小公倍数ｍで除算した角度（以下、基準角度という）を基準として設定される。より具体的には、スキュー角度θ_Ｓは、基準角度の±１５％を上限および下限とする範囲の角度とされる。
【００２７】
なお、磁極１１にスキューを付ける代わりに、ステータ２のティース部２ｃにスキューを付けるようにしても良い。また、磁極１１とティース部２ｃの両方にスキューを付けるようにしても良く、基準角度を整数倍して得られる角度を基準にスキュー角度θ_Ｓを設定しても良い。
【００２８】
図５にモータＡの駆動回路の一例を示す。この駆動回路Ｂは、モータＡのトルクリップルを充分に低減させるよう正弦波状電流によりモータＡを駆動する、Ｕ、Ｖ、Ｗ３相のブラシレスモータ駆動回路とされている。
【００２９】
このように、実施形態のモータＡにおいては、トルクリップルおよびコギングトルクを小さくするようロータ１の磁極１１の両端に所定範囲θ_Ｒの着磁傾斜部分Ｐが設けられるとともに、コギングトルクを小さくするようにロータ１（永久磁石）に所定角度θ_Ｓでスキュー着磁が施されるものとされる。
【００３０】
これにより、モータＡをＥＰＳ（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ａｓｓｉｓｔ　ｓｔｅｅｒｉｎｇ；電気式パワーステアリング）に適用する場合にも、後掲する実施例で示すように、トルクリップルおよびコギングトルクを充分に低減してハンドルフィーリングに与える影響を排除することが可能となる。すなわち、ＥＰＳ用モータとしての適用が考えられる従来のブラシレスモータは、一般に、トルクリップルが７％以上、コギングトルクが２％（定常トルクに対する比）以上であるのに対して、実施形態のモータＡにおいては、ＥＰＳへの適用に充分な１％以下のトルクリップルおよびコギングトルクを容易に達成することができる。
【００３１】
したがって、例えばロバスト制御等の特別な外乱制御をモータＡの駆動制御に組み込むことなく、トルクリップルおよびコギングトルクの影響を緩和できる。（なお、実際にはロバスト制御等によってトルクリップルおよびコギングトルクの影響を充分に排除することは困難である。）
また、モータＡはブラシレスモータとされるため、ＥＰＳ用のモータとして充分な静粛性を達成することも容易である。
【００３２】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００３３】
図６に、６極９スロット型ブラシレスモータ（以下、実施例モータという、前掲の最小公倍数ｍは１８）に本発明を適用したときの、実測結果における着磁傾斜範囲θ_Ｒと、誘起電圧の高調波（５次高調波）含有率γとの関係を示す。ここでは、スキュー角度θ_Ｓが１０度の場合を示す。
【００３４】
図７に、着磁傾斜範囲θ_Ｒを１０度（実施例１）、１２．５度（実施例２）および１５度（実施例３）の各値に設定したときのスキュー角度θ_Ｓと、高調波含有率γとの関係を示す。また、図７に着磁傾斜のない場合を比較例として併せて示す。
【００３５】
図８に、着磁傾斜範囲θ_Ｒと最大コギングトルクとの関係を示す。ここでは、スキュー着磁を施さない場合を示す。
【００３６】
図９に、着磁傾斜範囲θ_Ｒを１２．５度（実施例１１）、１５度（実施例１２）および１７．５度（実施例１３）の各値に設定したときのスキュー角度θ_Ｓと、最大コギングトルクとの関係を示す。
【００３７】
図６に示すように、高調波含有率γはθ_Ｒ値が１２．５度であるときに極小となった。すなわち、着磁傾斜範囲θ_Ｒを１２．５度に設定したときに誘起電圧が最も正弦波形に近づき、トルクリップルを最小とすることができる。
【００３８】
また、図７に示すように、実施例１、実施例２および実施例３のいずれにおいても高調波含有率γがスキュー角度θ_Ｓが２３度から２７度のあたりで最小となったところから、その角度でトルクリップルが最小とななった。なお、θ_Ｒ値を１２．５度に設定した実施例１では、スキュー角度θ_Ｓが１０度から４０度の全範囲でトルクリップルが１％未満に抑えられた。すなわち、着磁傾斜部分の幅θ_Ｒを１２．５度に設定した場合には、高調波含有率γのスキュー角度θ_Ｓへの依存性が低くなり、高調波含有率γを抑えることがより容易となる。
【００３９】
図８に示すように、最大コギングトルクは、着磁傾斜範囲θ_Ｒが約１５度（図９の実施例１２）のときに最小となった。
【００４０】
図９に示すように、実施例１１、実施例１２および実施例１３のいずれにおいてもスキュー角度θ_Ｓが２０度（＝３６０度÷１８）のときに最大コギングトルクが最小となった。
【００４１】
以上、本発明を実施形態および実施例により説明してきたが、本発明はかかる実施形態にのみ限定されるものではなく種々改変が可能である。例えば、実施例ではいわゆる６Ｐ９Ｓモータとされているが、本発明の適用は６Ｐ９Ｓモータに限定されるものではなく、各種のブラシレスモータに適用が可能である。また、実施形態では、モータはアウターロータ型とされているが、インナーロータ型とされてもよい。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のブラシレスモータによれば、コギングトルクおよびトルクリップルが共に高度に低減され、これにより極めて滑らかな回転出力が得られるとともに、非通電時においても回転が極めて滑らかなとなるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの概略構成を示す横断面図である。
【図２】同モータのロータの詳細を示す模式図であって、着磁傾斜部分の形成態様を示す図である。
【図３】同モータのロータの詳細を示す模式図であって、スキュー着磁の態様を示す図である。
【図４】ロータの磁極における周方向位置と着磁強さの関係を示すグラフ図である。
【図５】本発明のブラシレスモータに適用可能な駆動回路の一例を示す図である。
【図６】実施例モータにおける着磁傾斜範囲と誘起電圧の高調波含有率との関係を示すグラフ図である。
【図７】本発明の実施例によるスキュー角度と誘起電圧の高調波含有率との関係を示すグラフ図である。
【図８】実施例モータにおける着磁傾斜範囲と最大コギングトルクとの関係を示すグラフ図である。
【図９】本発明の実施例によるスキュー角度と最大コギングトルクとの関係を示すグラフ図である。
【図１０】従来のＥＰＳの概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
Ａ　　　ブラシレスモータ
１　　　ロータ（回転子）
２　　　ステータ（固定子）
１１　　　磁極

Claims

ロータに永久磁石が用いられているブラシレスモータであって、前記永久磁石の着磁が、台形波着磁とスキュー着磁との組合せによりなされることを特徴とするブラシレスモータ。
台形波着磁における着磁傾斜範囲が、下記式により規定されてなることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
α＜θ_Ｒ＜β
ここに、
θ_Ｒ：着磁傾斜範囲
α：（ティース間の角度）／２
β：３６０度／｛（ステータの極数）×２｝
スキュー角度が、基準角度に対して±１５％の範囲とされてなることを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。