JP2004194489A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】補助溝によるコギングトルク低減等の効果を効率良く発揮させ得るブラシレスモータを提供する。
【解決手段】ブラシレスモータ１は、マグネット２を備えるロータ３と、ステータコア８を備えるステータ４からなる。ステータコア８は、先端部に補助溝が形成され疑似多スロット化が施されたティース１１を有する。マグネット２は軸方向の長さがＬ_Mに形成されている。ステータコア８は軸方向の長さがＬ_Sに形成されており、Ｌ_SはＬ_Mよりも大きくなっている（Ｌ_S＞Ｌ_M）。ステータコア８の両端に、マグネット２と対向しないオーバーハング部１５を形成する。ステータコア８の軸方向端面８ａから流れ込む磁束が抑制され、ほとんどの磁束がティース先端部からステータコア８に流入し、補助溝による疑似多スロット効果が効率良く発揮される。
【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、ＥＰＳ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先端の磁束が密となる部分に溝を設けてティース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】
【特許文献１】実公平7-47981号公報
【特許文献２】特開平10-42531号公報
【特許文献３】特開平11-18326号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来より、マグネット５１とステータコア５２は、図６，７に示すように、両者が同じ長さ、若しくは出力向上のためマグネット５１がステータコア５２よりも長く形成されるのが一般的である。このため、前述のように補助溝により疑似多スロット化を図っても、磁束の一部がステータコアの端面５２ａから回り込み、その効果が十分に得られないという問題があった。すなわち、ティース先端部を通らない磁束が存在し、この補助溝と無関係の磁束の流れにより疑似スロット部分によるコギング低減効果が十分に発揮されず、その改善が望まれていた。
【０００６】
本発明の目的は、補助溝によるコギングトルク低減等の効果を効率良く発揮させ得るブラシレスモータを提供することにある。
【０００７】
【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、軸方向の長さがＬ_Mに形成されたマグネットを備えるロータと、前記マグネットとエアギャップを介して対向しその先端部に前記エアギャップに臨んで補助溝が凹設されたティースを周方向に沿って複数個配置したステータコアを備えるステータとを有するブラシレスモータであって、前記ステータコアの軸方向の長さＬ_Sを前記マグネットの軸方向の長さＬ_Mよりも大きく（Ｌ_S＞Ｌ_M）設定したことを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、ステータコア軸長Ｌ_Sをマグネット軸長Ｌ_Mよりも大きくしたので、ステータコアにマグネットと対向せずマグネットの軸方向端部から軸方向に沿って張り出した部分を形成することができる。これにより、軸方向端面からステータコアに流れ込む磁束が少なくなり、ほとんどの磁束が径方向からティース先端部を通ってステータコアに流入する。従って、補助溝による疑似多スロット効果が効率良く発揮され、コギング等の低減を図ることが可能となる。
【０００９】
前記ブラシレスモータにおいて、前記ステータコアは、その両端に前記マグネットと対向せず、前記マグネットの軸方向端部から軸方向に沿って張り出したオーバーハング部を設けても良く、その軸方向の長さＸを０.５mm〜８.０mmの範囲に設定するようにしても良い。
【００１０】
また、前記ブラシレスモータにおいて、前記補助溝の中心を前記ティースの周方向端面の延長線上に位置するように設けても良い。ティース先端部においてティース周方向端面の延長位置は磁束密度が高い部分であり、ここに補助溝の中心を配置することにより電機子反作用磁束の磁路が狭まり磁路抵抗が大きくなる。従って、電機子反作用磁束がティース内を流れにくくなり、電機子反作用の影響が低減し、減磁を抑えることが可能となる。
【００１１】
さらに、前記ブラシレスモータにおいて、前記補助溝の溝幅を隣接する前記ティース間に形成されたスロットの幅と等しく形成しても良い。これにより、隣接するティースとの間で、補助溝によってティース先端部に形成されるサブティースが周方向に沿って等間隔に並び、ステータコアのスロット数を擬似的に増加させることができる。
【００１２】
一方、前記ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いても良く、これにより、モータのコギングに起因する騒音や振動が低減されると共にステアリング戻りもスムーズとなり、操舵感の向上を図ることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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、本発明の一実施の形態であるブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）の構成を示す説明図である。当該モータ１は、ＥＰＳの駆動源として使用され、図１に示すように、ロータマグネット２（以下、マグネット２と略記する）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装置構成となっている。モータ１は、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制御駆動され、図示しない減速ギアを介してステアリングコラム軸に対し操舵補助力が供給される。
【００１４】
ロータ３は、金属製のシャフト５に取り付けられたロータコア６と、ロータコア６の外周に固定された４極のマグネット２とから構成されている。マグネット２はフェライト磁石からなる４個のセグメントに分割形成されている。ステータ４は、ハウジング７と、ハウジング７の内周側に固定されたステータコア８と、ステータコア８に巻装された巻線９とから構成されている。図２は、ステータコアの構成を示す説明図である。ステータコア８には内周側に複数個のティース１１が突設され、そこにコイルが分布巻又は集中巻にて巻回され巻線９が形成される。
【００１５】
ティース１１の先端部１１ａには補助溝１２が２本形成されている。補助溝１２は、マグネット２とティース１１先端部との間に形成されるエアギャップＧに臨んで開口し、径方向に向かって凹設されている。補助溝１２によってティース１１の先端部１１ａは三股形状となり、サブティース１３が３個形成される。補助溝１２の中心位置Ｏ₁は、ティース基部１１ｂの周方向端面Ｐと同じ位置に形成されている。この端面Ｐの延長位置は、先端部１１ａにおいて磁束密度が高い部分であり、ここに補助溝１２を設けることにより電機子反作用磁束の磁路抵抗が大きくなる。従って、電機子反作用磁束がティース１１内を流れにくくなり、電機子反作用の影響が低減し、減磁を抑えることが可能となる。
【００１６】
また、補助溝１２の幅Ｗ_Aはスロット１４の幅Ｗ_Sと同幅又はＷ_Sよりもやや広くになっており、隣接するティース１１との間で、サブティース１３が周方向に沿って等間隔又はほぼ等間隔に並ぶ。すなわち、補助溝１２によりステータコア８のスロット数が擬似的に増加する形となり、コギングの低減が図られると共に、インダクタンスや電機子反作用も低減する。なお、補助溝１２及びスロット１４はスキュー角２０°にて１/２スロット分スキューされて設けられている。
【００１７】
ハウジング７内には、ロータ３の回転位置を検出するためのホールセンサ１０が配設されている。モータ１ではマグネット２の主磁束を用いてロータ回転位置の検出が行われ、ホールセンサ１０はマグネット２の磁極の変化に伴って信号を出力する。ホールセンサ１０による検出信号に基づいて巻線９への電流が適宜切り替えられ、ロータ３を回転駆動させる回転磁界が形成される。
【００１８】
一方、モータ１では、マグネット２の軸方向長Ｌ_Mがステータコア８の軸方向長Ｌ_Sよりも短くなっている（Ｌ_M＜Ｌ_S）。ステータコア８の両端には、マグネット２と対向しない長さＸのオーバーハング部１５がそれぞれ形成されている。オーバーハング量Ｘは、マグネット２とステータコア８のティース１１先端部との間に形成されるエアギャップＧが０.４mm〜１mmの場合、Ｘ＝０.５mm〜８mmに設定される。当該モータ１では、Ｇ＝０.４mmにおいてＸ＝４.５mm（Ｌ_M＝３７mm,Ｌ_S＝４６mm）に設定されている。
【００１９】
図３は、このようなオーバーハング部１５を設けたモータ１における磁束の流れを示す説明図である。図３に示すように、モータ１ではマグネット２の両端にオーバーハング部１５が存在するため、磁束は図中の矢印のようにステータコア８に径方向から流入する。従って、図６，７のように磁束がステータコア８の軸方向端面８ａから回り込んでしまうのを抑えることができ、ほとんどの磁束がティース１１の先端部を通過する。このため、補助溝１２による疑似多スロット効果が効率良く発揮され、コギング等の低減を図ることが可能となる。
【００２０】
発明者の実験によれば、Ｘ＝４.５mm（Ｌ_M＝３７mm,Ｌ_S＝４６mm）に設定したモータ１では、磁束量３４０００Mx、正逆回転のコギング量とロストルクの平均値がそれぞれ０.００５Nm，０.０１１Nm、コギング量を磁束量で除した値が１.５×１０^-7となった。これに対し、Ｘ＝０mm（Ｌ_M＝４６mm,Ｌ_S＝４６mm：オーバーハングなし）に設定したモータでは、磁束量３８０００Mx、正逆回転のコギング量とロストルクの平均値がそれぞれ０.００７Nm，０.０１３Nm、コギング量を磁束量で除した値が１.８×１０^-7となった。すなわち、オーバーハング部１５を設けたモータ１では、コギング量が０.００７Nm→０.００５Nmに低減した。
【００２１】
また、磁束量を出力と考えると、出力に対するコギング量もオーバーハング部１５を設けたモータ１の方が小さくなる（１.８×１０^-7→１.５×１０^-7）。つまり、モータ１はステータコア８が長くなったことにより、同じ大きさのマグネットにて比較すると有効磁束が増大したと考えられ、Ｘ＝０mmのモータよりも出力が向上し、コギングが小さくなっている。
【００２２】
なお、Ｘ＝−４.５mm（Ｌ_M＝４６mm,Ｌ_S＝３７mm：マグネット２の方が長い逆オーバーハング状態）に設定したモータでは、磁束量３４０００Mx、正逆回転のコギング量とロストルクの平均値がそれぞれ０.０３２Nm，０.０１２Nm、コギング量を磁束量で除した値が９.４×１０^-7となった。すなわち、図７のような状態では軸方向の磁束の回り込みの影響が大きく、コギング量がかなり大きくなることが分かる。図４は、この場合とモータ１におけるコギング量を比較して示した説明図である。図４から明かなように、モータ１ではコギング量が大幅に改善されていることが分かる。
【００２３】
また、オーバーハング量Ｘとコギング量との関係も発明者の実験により図５のようになることが分かった。図５に示すように、コギング量はマグネット２がステータコア８よりも張り出す形の逆オーバーハングとすると大きくなる。オーバーハングなし（Ｘ＝０）からＸ＝０.５mm近傍までコギング量は漸減し、その後はやや減少しつつ略一定となる。
【００２４】
このように、当該モータ１では、マグネット２の両端にステータコア８が張り出す形でオーバーハング部１５を設けたので、軸方向端面８ａからステータコア８に回り込む磁束を抑えることができ、補助溝１２による効果を十分に得ることが可能となる。従って、コギングの低減を図ることが可能となると共に、電機子反作用の影響やトルク変動，インダクタンスなども低減できる。また、マグネット２からステータコア８への磁束も効率良く利用することができ、出力に対するコギング量を減少させ、効率良くコギングの低減等を図ることが可能となる。このため、モータ１をＥＰＳの駆動源として用いると、コギングに起因する騒音や振動が低減されると共にステアリング戻りもスムーズとなり、操舵感の向上を図ることが可能となる。
【００２５】
さらに、電機子反作用の影響を低減できるため、進角なし（０°）の状態で使用でき、しかも、トルク変動を抑えることができる。特に、ＥＰＳ用モータのように正逆回転するものは、機械的な進角設定が難しく、複雑な制御によって進角を実現しているが、当該モータによればかかる制御も必要なく、制御形態を簡素化しＣＰＵの負担を軽減することが可能となる。
【００２６】
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、前述の実施の形態ではオーバーハング量Ｘを４.５mmとした例を示したが、オーバーハング量Ｘは４.５mmには限定されず、０.５mm〜８.０mm程度の範囲でモータ仕様に応じて適宜設定することが可能である。また、オーバーハング量Ｘはステーコア８の両側で必ずしも同じ値とする必要はなく、レイアウト上の要請や、ホールセンサ１０との位置関係に応じて０.５mm〜８.０mmの範囲で適宜異なる値を設定することも可能である。特に、マグネット２の主磁束を用いてロータ回転位置の検出を行うものでは、ホールセンサ１０側のオーバーハング量Ｘを多く採ると、マグネット２とホールセンサ１０との間の距離が大きくなりセンシング誤差が生じる可能性があり、かかる場合にはホールセンサ１０側のオーバーハング量Ｘを適宜小さくすることが有効である。
【００２７】
一方、前述の実施の形態ではインナーロータ型のブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、ロータがステータの外側に配設されるいわゆるアウタロータ型のブラシレスモータに本発明を適用することも可能である。さらに、前述の実施の形態では本発明をコラムアシスト型のＥＰＳに適用した例を示したが、ラックアシスト型等の他の方式のＥＰＳにも適用可能である。加えて、本発明のブラシレスモータをＥＰＳ以外の用途、例えば、ロボット等の産業用機械やパソコンやその周辺機器等のＩＴ機器にも適用可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のブラシレスモータによれば、ステータコア軸長Ｌ_Sをマグネット軸長Ｌ_Mよりも大きくしたので、ステータコアにマグネットと対向せずマグネット端部から張り出した部分を形成することができ、軸方向端面からステータコアに流れ込む磁束が抑制される。従って、補助溝による疑似多スロット効果を効率良く発揮させることができ、コギング等の低減を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの構成を示す説明図である。
【図２】図１のブラシレスモータにおけるステータコアの構成を示す説明図である。
【図３】オーバーハング部を設けた図１のブラシレスモータにおける磁束の流れを示す説明図である。
【図４】オーバーハング量とコギング量との関係を示す説明図である。
【図５】マグネットの方がステータコアより長い逆オーバーハング状態のモータと図１のモータのコギング量を比較して示した説明図である。
【図６】従来のブラシレスモータの構成を示す説明図である。
【図７】従来の他のブラシレスモータの構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１ ブラシレスモータ
２ ロータマグネット
３ ロータ
４ ステータ
５ シャフト
６ ロータコア
７ ハウジング
８ ステータコア
８ａ ステータコア軸方向端面
９ 巻線
１０ ホールセンサ
１１ ティース
１１ａ 先端部
１１ｂ 基部
１２ 補助溝
１３ サブティース
１４ スロット
１５ オーバーハング部
５１ マグネット
５２ ステータコア
５２ａ ステータコア端面
Ｇ エアギャップ
Ｌ_M マグネット軸方向長
Ｌ_S ステータコア軸方向長
Ｏ₁ 補助溝中心位置
Ｐ ティース周方向端面
Ｗ_A 補助溝幅
Ｗ_S スロット幅
Ｘ オーバーハング量

Claims (6)

1. 軸方向の長さがＬ_Mに形成されたマグネットを備えるロータと、前記マグネットとエアギャップを介して対向しその先端部に前記エアギャップに臨んで補助溝が凹設されたティースを周方向に沿って複数個配置したステータコアを備えるステータとを有するブラシレスモータであって、
   前記ステータコアの軸方向の長さＬ_Sは、前記マグネットの軸方向の長さＬ_Mよりも大きい（Ｌ_S＞Ｌ_M）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、前記ステータコアは、その両端に前記マグネットと対向せず、前記マグネットの軸方向端部から軸方向に沿って張り出したオーバーハング部を有することを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項２記載のブラシレスモータにおいて、前記オーバーハング部の軸方向の長さＸが０.５mm〜８.０mmであることを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項１〜３に何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、前記補助溝の中心が前記ティースの周方向端面の延長線上に位置することを特徴とするブラシレスモータ。
5. 請求項１〜４に何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、前記補助溝の溝幅が隣接する前記ティース間に形成されたスロットの幅と等しいことを特徴とするブラシレスモータ。
6. 請求項１〜５に何れか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装置用のモータであること特徴とするブラシレスモータ。

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