JP2009027777A - 永久磁石型ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータのロータとステータとの共振を抑制すること。
【解決手段】ロータ２７にスキューが施されている。永久磁石３０の磁極３２の数をＰ、ステータのスロットの数をＳとしたときに、ロータ２７とステータとの相対的なスキュー角度θが下記式（１）で表されるθ１を用いて、下記式（２）で表される角度範囲内に設定されている。θ１＝３６０／〔ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）×３／Ｓ１〕…（１）。θ１−ａ≦θ≦θ１＋ａ…（２）。ただし、ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）は磁極３２の数Ｐおよびスロットの数Ｓの最小公倍数であり、Ｓ１は、Ｐ／Ｓを既約分数化したＰ１／Ｓ１の分母であり、ａは角度公差である。
【選択図】図４

Description

本発明は、永久磁石型ブラシレスモータに関する。

通常、永久磁石型ブラシレスモータは、永久磁石が円筒状に配置されたロータ（例えば、特許文献１参照）を備えている。
特開２００３−３２９２７号公報

ブラシレスモータにおいて、駆動時の振動および騒音の更なる低減が要請されている。特に、電動パワーステアリング装置に備えられ、車両の車室内に配置されるブラシレスモータにおいて、振動および騒音の更なる低減が求められている。本発明は、この課題を解決することを目的とする。

本願発明者は、ロータとステータが同じ周波数で振動する共振現象が、ブラシレスモータの振動および騒音の大きな要因となることに着目して鋭意研究を行い、スキューを施すことにより、ロータとステータの共振を抑制することが可能であるとの知見を得て、本発明を想到するに至った。すなわち、本発明は、互いに対向するステータ（２８；２８Ｂ）およびロータ（２７；２７Ａ；２７Ｂ）を備え、上記ステータは、周方向（Ｒ２）にスロット（３７）を挟んで等間隔に配置された複数のティース（３６；３６Ｂ）を有するステータコア（３３；３３Ｂ）と、各ティースに巻回されたコイル（３４；３４Ｂ）とを含み、上記ロータは、当該ロータの周方向（Ｒ１）に交互に異なる磁極（３２；３２Ｂ）を有する永久磁石（３０；３０Ａ；３０Ｂ）を配列してなり、上記ロータおよびステータの少なくとも一方にスキューが施されており、磁極の数をＰ、スロットの数をＳとしたときに、ロータとステータとの相対的なスキュー角度θが下記式（１）で表されるθ１を用いて、下記式（２）で表される角度範囲内に設定されていることを特徴とする永久磁石型ブラシレスモータ（２０）である（請求項１）。

θ１＝３６０／〔ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）×３／Ｓ１〕…（１）
θ１−ａ≦θ≦θ１＋ａ…（２）
ただし、ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）は磁極の数Ｐおよびスロットの数Ｓの最小公倍数であり、Ｓ１は、Ｐ／Ｓを既約分数化したＰ１／Ｓ１の分母であり、ａは角度公差である。
本発明によれば、ロータおよびステータのそれぞれに生じる振動のうち共振を引き起こす成分の最小次数で３６０を割った値が、θ１となる。スキュー角θを実質的にθ１とする結果、ロータとステータの共振を確実に抑制することができ、永久磁石型ブラシレスモータとしての振動および騒音を確実に低減することができる。また、スキューを施していることにより、ロータのコギングトルクを確実に抑制することができ、その結果、永久磁石型ブラシレスモータとしての振動および騒音をより一層低減できる。

また、本発明において、上記角度公差ａは１°である場合がある（請求項２）。この場合、十分に大きな角度公差を確保した状態でスキューを施すことができ、スキューを施すときの手間を少なくできる。しかも、十分に大きな角度公差を確保しつつ、十分な振動および騒音の低減効果を発揮することができる。
なお、上記において、括弧内の数字は、後述する実施の形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号により特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

本発明の好ましい実施の形態を添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の一実施の形態にかかる永久磁石型ブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。図１を参照して、電動パワーステアリング装置１は、ステアリングホイール等の操舵部材２に連結されているステアリングシャフト３と、ステアリングシャフト３に自在継手４を介して連結されている中間軸５と、この中間軸５に自在継手６を介して連結されているピニオン軸７と、ピニオン軸７の先端部に設けられたピニオン８に噛み合うラック９を形成し且つ車両の左右方向に延びるラック軸１０とを有している。

ラック軸１０の両端部にはそれぞれタイロッド１１が連結されており、各タイロッド１１は、対応するナックルアーム（図示せず）を介して対応する車輪１２に連結されている。操舵部材２が操作されてステアリングシャフト３が回転されると、この回転は中間軸５等を介してピニオン８に伝達され、ピニオン８およびラック９によって、車両の左右方向に沿うラック軸１０の直線運動に変換される。これにより車輪１２の転舵が達成される。

ステアリングシャフト３は、操舵部材２に連なる入力軸としての第１の操舵軸１３と、自在継手４に連なる出力軸としての第２の操舵軸１４とを有している。これら第１および第２の操舵軸１３，１４は、トーションバー１５を介して互いに同軸的に連結されている。
トーションバー１５の近傍には、トーションバー１５のねじれに起因する第１の操舵軸１３と第２の操舵軸１４との相対回転変位量を検出するトルクセンサ１６が設けられている。このトルクセンサ１６の検出信号は、制御部１７に与えられる。制御部１７は、トルクセンサ１６からの検出信号に基づいて操舵部材２に加えられた操舵トルクを算出する。そして、算出した操舵トルクや車速センサ１８からの車速検出信号等に基づいて、ドライバ１９を介して、操舵補助用の永久磁石型ブラシレスモータ２０の駆動を制御する。これにより、永久磁石型ブラシレスモータ２０（以下、単にモータ２０ともいう。）が駆動し、その出力回転が、歯車装置としての減速機２１で減速された後第２の操舵軸１４へ伝達される。第２の操舵軸１４に伝えられた動力は、さらに中間軸５等を介して、上記ラック軸１０、タイロッド１１およびナックルアーム等を含む舵取り機構２２に伝えられ、運転者の操舵が補助される。

モータ２０および減速機２１は、例えば、ステアリングコラム（図示せず）に保持された状態で、車両の車室内に配置されている。減速機２１は、モータ２０により駆動される駆動ギヤ２３および従動ギヤ２４と、これらのギヤ２３，２４を収容するハウジング２５とを含んでいる。
駆動ギヤ２３は、モータ２０の出力軸２６に連なる小歯車としてのウォーム軸であり、従動ギヤ２４は、駆動ギヤ２３に噛み合い、且つ第２の操舵軸１４に連なる大歯車としてのウォームホイールである。駆動ギヤ２３および従動ギヤ２４によってウォーム減速機構が形成されている。

図２は、モータ２０の概略構成を示す一部断面図である。図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。図２および図３を参照して、モータ２０は、例えば、３相ブラシレスモータであって、後述する永久磁石３０の磁極３２の数Ｐ＝８且つスロット３７の数Ｓ＝１２の、８極１２スロットのブラシレスモータである。
モータ２０は、出力軸２６に同行回転可能に連結された環状のロータ２７と、ロータ２７の周囲を取り囲むことによりロータ２７と対向する環状のステータ２８と、ロータ２７およびステータ２８を収容する筒状のフレーム２９と、を備えている。

ロータ２７は、ロータ２７の周方向Ｒ１に交互に異なる磁極３２を有する永久磁石３０を配列してなる。永久磁石３０の内周面は、環状のロータコア３１の外周面に固定されている。ロータコア３１には、モータ２０の出力軸２６が同行回転可能に連結されている。
永久磁石３０は、複数の円弧状の磁石を環状に並べたセグメント磁石であってもよいし、環状のリング磁石であってもよい。この永久磁石３０は、ロータ２７の周方向Ｒ１に等間隔に配置された複数の磁極３２を含んでいる。本実施の形態において、磁極３２の数Ｐは例えば８である（Ｐ＝８）。各磁極３２は、周方向Ｒ１に関して、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。

ステータ２８は、環状のステータコア３３と、このステータコア３３に保持された複数のコイル３４とを含んでいる。
ステータコア３３は、例えば、軟磁性粉末を用いて形成されている。なお、積層鋼板を用いてステータコア３３を形成してもよい。ステータコア３３は、ロータ２７の軸方向Ｓ１と平行な方向に伸びており、環状のヨーク３５と、このヨーク３５の内周からヨーク３５の径方向内方に向けて突出する複数のティース３６とを含む。複数のティース３６は、ステータ２８の周方向Ｒ２にスロット３７を挟んで等間隔に配置されている。本実施の形態において、ティース３６の数は例えば１２とされており、スロット３７の数Ｓは１２とされている（Ｓ＝１２）。

各ティース３６の外周にコイル３４が集中巻きによって巻回されている。これにより、各スロット３７に対応するコイル３４がそれぞれ配置されている。各コイル３４は、駆動回路に接続されている。Ｕ相のコイル３４、Ｖ相のコイル３４およびＷ相のコイル３４がそれぞれ４つ設けられている。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのコイル３４は、ステータ２８の周方向Ｒ２の一方に沿って順に配列されている。

フレーム２９は、例えば鉄を含む材料によって形成されており、筒状部３８と、筒状部３８の一対の端部にそれぞれ配置された一対の端壁３９，４０とを含む。ステータコア３３のヨーク３５の外周面は、例えば圧入嵌合や、焼き嵌めや、接着剤を用いた接着等によって、筒状部３８の内周面に固定されている。
一方の端壁３９には、軸受保持凹部４１が形成されており、この軸受保持凹部４１に保持された軸受４２を介して出力軸２６の一端が回転自在に支持されている。他方の端壁４０には、出力軸２６が挿通された挿通孔４３が形成されている。この挿通孔４３は、軸受４４を保持する軸受保持部４５を含んでおり、軸受保持部４５に保持された軸受４４を介して出力軸２６の中間部が回転自在に支持されている。

図４は、ロータ２７の側面図である。図２および図４を参照して、本実施の形態の特徴とするところは、ロータ２７およびステータ２８が共振を起こすことを抑制するためのスキューが施されている点にある。
具体的は、ロータ２７およびステータ２８の少なくとも一方にスキューが施されている。本実施の形態において、ロータ２７にスキューが施されている。本実施の形態において、ステータ２８は、スキューが施されることなく、ロータ２７の軸方向Ｓ１とは平行に真っ直ぐに延びている。ロータ２７とステータ２８との相対的なスキュー角度θは、ロータ２７の磁極３２と磁極３２の境界部をロータ２７の径方向に沿ってみたときの、ロータ２７の軸方向Ｓ１に対する傾斜角度となる。

スキュー角度θは、下記式（１）で表されるθ１を用いて、下記式（２）で表される角度範囲内に設定されている。
θ１＝３６０／〔ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）×３／Ｓ１〕…（１）
θ１−ａ≦θ≦θ１＋ａ…（２）
ただし、ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）は磁極３２の数Ｐおよびスロット３７の数Ｓの最小公倍数であり、Ｓ１は、Ｐ／Ｓを既約分数化したＰ１／Ｓ１の分母であり、ａは角度公差である。

上記角度公差ａは、例えば、１°に設定されている。スキューに関連する寸法公差を十分に確保しつつ、共振および騒音の抑制効果を十分に発揮できる範囲の角度公差として、１°が好ましい。
本実施の形態において、ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）＝ＬＣＭ（８，１２）＝２４となる。また、Ｐ／Ｓ＝８／１２であることから、Ｐ１／Ｓ１＝２／３となり、Ｓ１＝３となる。したがって、本実施の形態において、θ１＝３６０／（２４×３／３）＝３６０／２４＝１５°となる。したがって、スキュー角度θは、上記式（２）より、１５°−１°≦θ≦１５°＋１°、すなわち、１４°≦θ≦１６°の角度範囲内に設定される。

図５は、ステータ２８に生じる力について説明するための要部の模式的な断面図である。図５を参照して、図５では、一例として、Ｕ相の電流が最大のときのロータ２７とステータ２８との位置関係を示している。このとき、Ｕ相のティース３６１はＳ極として機能するようになっている。ロータ２７の周方向Ｒ１に関して、Ｕ相のティース３６１の先端面には、ロータ２７のＮ極とＳ極とがそれぞれ半分対向している。したがって、ロータ２７からＵ相のティース３６１が受ける力は、Ｎ極から受ける吸引力Ｆ１／２とＳ極から受ける反発力Ｆ１／２となり、合成した力としてはゼロとなる。

一方、Ｖ相のティース３６２は、Ｎ極として機能するようになっている。このとき、Ｖ相のティース３６２の先端面には、ロータ２７のＳ極のみが対向している。したがって、ロータ２７からＶ相のティース３６２が受ける力は、Ｓ極から受ける吸引力Ｆ２となり、Ｖ相のティース３６２は、ロータ２７の径方向の内側に引き寄せられる。
また、Ｗ相のティース３６３は、Ｎ極として機能するようになっている。このとき、Ｗ相のティース３６３の先端面には、ロータ２７のＮ極のみが対向している。したがって、ロータ２７からＷ相のティース３６３が受ける力は、Ｎ極から受ける反発力Ｆ３となり、Ｗ相のティース３６３は、ロータ２７の径方向の外側に押される。

以上より、ステータ２８は、周方向Ｒ１に沿って波打つような変形力を受ける。このときのヨーク３５の外周面の変形の状態を、図の破線で誇張して示している。
このようなステータ２８の変形は、ロータ２７が電気角の１周期分だけ回転すると２回発生する。さらに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ４つ設けられていることから、ステータコア３３の変形の振動の基本次成分は、４×２＝８次成分となる。また、この振動は基本次成分以外に３，５，７，…２ｎ＋１次成分（ｎは整数）といった奇数次成分を有しているため、ステータコア３３の変形の振動は、８×３＝２４次、８×５＝４０次、８×７＝５６次、８×（２ｎ＋１）次の成分も含んでいることとなる。

一方、ロータ２７には、トルクリップルに起因する振動が生じる。このトルクリップルによる振動の基本次成分は、一般的に６次成分である。その結果、ロータ２７の振動は、６×１＝６次、６×２＝１２次、６×３＝１８次、６×４＝２４次、６×８＝４８次、６×１２＝７２次…の成分を含んでいることとなる。
以上より、ステータ２８およびロータ２７のそれぞれに生じた振動のうち共振を引き起こす成分の一番低い次数は２４次となる。３６０をこの２４で割った１５（１５°）が、上記θ１の値、すなわち、スキュー角度θの基準となる値となる。このスキュー角度θをつけるようにスキューを設けることで、ロータ２７とステータ２８の共振を抑制することができる。

特に、ステータコア３３およびロータ２７のそれぞれに生じた振動のうち、共振を引き起こす最小次の成分は、共振のエネルギが最も大きいので、この成分を抑制することによる共振および振動の低減効果は高い。
また、このときの、トルクリップルによる振動の基本次成分は、一般的に６次成分であり、また、ロータ２７の永久磁石３０が４極対の永久磁石であることから、ロータ２７のコギングトルクによる振動は、６×４＝２４次が基本次成分となる。その結果、ロータ２７およびステータ２８の共振を抑制しつつ、ロータ２７のコギングトルクを抑制するためのスキュー角度θは、３６０／（６×４）＝３６０／２４＝１５°すなわち、上記のθ１となる。このθ１と実質的に合致する角度範囲内にスキュー角度θを設定していることにより、共振およびコギングトルクの双方を抑制することができる。

以上の次第で、本実施の形態によれば、ロータ２７およびステータ２８のそれぞれに生じる振動のうち共振を引き起こす成分の最小次数（本実施の形態において、２４）で３６０を割った値が、θ１となる。
スキュー角度θを実質的にθ１とする結果、ロータ２７とステータ２８の共振を確実に抑制することができ、モータ２０としての振動および騒音を確実に低減することができる。また、スキューを施していることにより、ロータ２７のコギングトルクを確実に抑制することができ、その結果、モータ２０としての振動および騒音をより一層低減できる。

特に、電動パワーステアリング装置１に備えられ、車両の車室内に配置されるモータとして、振動および騒音の少ないモータ２０が好適である。
また、角度公差ａを１°とすることにより、十分に大きな角度公差を確保した状態でスキューを施すことができ、スキューを施すときの手間を少なくできる。しかも、十分に大きな角度公差を確保しつつ、十分な振動および騒音の低減効果を発揮することができる。

本発明は、以上の実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項記載の範囲内において種々の変更が可能である。例えば、永久磁石３０の磁極３２の数Ｐおよびスロット３７の数Ｓは、それぞれ、上記実施の形態で例示したもの以外の値であってもよい。
例えば、永久磁石３０の磁極３２の数Ｐ＝１０およびスロット３７の数Ｓ＝１２としてもよい。この場合、Ｐ／Ｓを既約分数化したＰ１／Ｓ１＝５／６となる。スキュー角度θの基準となる値θ１は、θ１＝３６０／〔ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）×３／Ｓ１〕＝３６０／（６０×３／６）＝１２となる。

ここで、θ１−ａ≦θ≦θ１＋ａ…（２）より、スキュー角度θは、１２−１≦θ≦１２＋１、すなわち、１１°≦θ≦１３°となる。
また、永久磁石３０の磁極３２の数Ｐ＝８およびスロット３７の数Ｓ＝９としてもよい。この場合、Ｐ／Ｓを既約分数化したＰ１／Ｓ１＝８／９となる。スキュー角度θの基準となる値θ１は、θ１＝３６０／〔ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）×３／Ｓ１〕＝３６０／（７２×３／９）＝１５となる。

ここで、θ１−ａ≦θ≦θ１＋ａ…（２）より、スキュー角度θは、１５−１≦θ≦１５＋１、すなわち、１４°≦θ≦１６°となる。
また、図６に示すロータ２７Ａを用いてもよい。なお、以下では図１〜図５に示す実施の形態と異なる点について主に説明し、同様の構成については同様の符号を付してその説明を省略する。

ロータ２７Ａの永久磁石３０Ａは、ロータ２７Ａの軸方向Ｓ１に２段積みにされている。１段目の永久磁石３０Ａと２段目の永久磁石３０Ａとは、ロータ２７Ａの周方向Ｒ１にスキュー角度θだけずらされており、いわゆる段積みスキューが施されている。
また、図７に示すように、ステータ２８Ｂにスキューを施してもよい。ステータコア３３Ｂは、ロータ２７Ｂの軸方向Ｓ１に対してスキュー角度θをなして傾斜している。なお、ステータコア３３Ｂのうち、ティース３６Ｂ全体またはティース３６Ｂの先端（図示せず）のみをスキューさせてもよい。各ティース３６Ｂにコイル３４Ｂが巻回されている。

ロータ２７Ｂにはスキューが施されておらず、永久磁石３０Ｂの磁極３２Ｂは、ロータ２７Ｂの軸方向Ｓ１とは平行に延びている。この場合、ロータ２７Ｂとステータ２８Ｂとの相対的なスキュー角度θは、ティース３６Ｂのうちのスキューが施されている部分をステータ２８の径方向に沿ってみたときの、ロータ２７の軸方向Ｓ１に対する傾斜角度となる。

なお、各上記実施の形態においては、インナーロータ式モータに適用した例について説明したが、本発明はアウターロータ式モータにも適用可能である。
その他、本発明は、電動パワーステアリング装置以外の他の装置に備えられる永久磁石型ブラシレスモータに適用することができる。

本発明の一実施の形態にかかる永久磁石型ブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 モータの概略構成を示す一部断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 ロータの側面図である。 ステータに生じる力について説明するための要部の模式的な断面図である。 本発明の別の実施の形態の要部の斜視図である。 本発明のさらに別の実施の形態の要部の一部断面側面図であり、ロータとステータとを軸方向にずらした状態を示している。

符号の説明

２０…永久磁石型ブラシレスモータ、２７，２７Ａ，２７Ｂ…ロータ、２８，２８Ｂ…ステータ、３０，３０Ａ，３０Ｂ…永久磁石、３２，３２Ｂ…磁極、３３，３３Ｂ…ステータコア、３４，３４Ｂ…コイル、３６，３６Ｂ…ティース、３７…スロット、ａ…角度公差、Ｐ…磁極の数、Ｒ１，Ｒ２…周方向、Ｓ…スロットの数、θ…スキュー角度。

Claims (2)

1. 互いに対向するステータおよびロータを備え、上記ステータは、周方向にスロットを挟んで等間隔に配置された複数のティースを有するステータコアと、各ティースに巻回されたコイルとを含み、
   上記ロータは、当該ロータの周方向に交互に異なる磁極を有する永久磁石を配列してなり、
   上記ロータおよびステータの少なくとも一方にスキューが施されており、
   磁極の数をＰ、スロットの数をＳとしたときに、ロータとステータとの相対的なスキュー角度θが下記式（１）で表されるθ１を用いて、下記式（２）で表される角度範囲内に設定されていることを特徴とする永久磁石型ブラシレスモータ。
   θ１＝３６０／〔ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）×３／Ｓ１〕…（１）
   θ１−ａ≦θ≦θ１＋ａ…（２）
   ただし、ＬＣＭ（Ｐ，Ｓ）は磁極の数Ｐおよびスロットの数Ｓの最小公倍数であり、Ｓ１は、Ｐ／Ｓを既約分数化したＰ１／Ｓ１の分母であり、ａは角度公差である。
2. 請求項１において、上記角度公差ａは１°である永久磁石型ブラシレスモータ。

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