JP2012228014A - ブラシレスモータ - Google Patents

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Abstract

【課題】セグメントマグネットを用いたモータにおける電機子反作用を低減し、高負荷域でのトルクダレやトルクリップルの低減を図る。
【解決手段】EPS用モータ1は、断面がD型に形成されたセグメントマグネット16を使用したブラシレスモータであり、ロータコア15のマグネット取付部15aの間に、ロータコア15のコア頂点Pを面取りする形で平面状の対向面43を設ける。対向面43の周方向に沿った幅Bは、セグメントマグネット間の距離をAに対して(A/3)<B≦Aに設定される。対向面43により、極間部分におけるエアギャップ44を拡大し、対向面43とエアギャップ44を通る磁路のインダクタンスと、マグネット16とエアギャップ45を通る磁路のインダクタンスをほぼ等しくする。
【選択図】図3

Description

本発明は、セグメントマグネットを用いた電動モータに関し、特に、ロータコアとの接触面を平面状としたD型断面(いわゆる板付きかまぼこ形)のセグメントマグネットを用いたブラシレスモータに関する。
従来より、自動車等の車両に搭載されている電動パワーステアリング装置(以下、EPSと略記する)では、その駆動源として、一片一極構成のセグメントマグネットを用いたブラシレスモータが広く用いられている。セグメントマグネットは、円筒状のリングマグネットに比して、形状を変更しやすく磁束の調整が容易であり、磁石の使用量も抑えることができることから、近年、セグメントマグネットを使用した永久磁石モータが増大している。
一方、セグメントマグネットを円筒状のロータに取り付ける場合には、マグネットの内周面(ロータコア接触面)をロータ外周に合わせて円弧状に切削加工する必要があり、削り代が多く、材料の無駄や加工工数が増大するという問題があった。特に、小型化・高出力化の要請から、マグネット材料としてネオジウム等のレアメタルを用いた場合、価格や入手困難性の観点から、材料の無駄は可能な限り省く必要がある。そこで、従来のEPS用モータでは、切削加工が不要なD型断面のセグメントマグネットを使用すべく、図8に示すように、ロータ断面を多角形状とした構成が採用されている。
特開2010−4661号公報
しかしながら、図8のようなモータでは、ロータコア51の角部52が径方向に突出しているため、透磁率の高いロータコア51とエアギャップ53を通る磁路のインダクタンスLqが、透磁率の低いマグネット54とエアギャップ55を通る磁路のインダクタンスLdよりも高くなる(Lq>Ld:Lq/Ld>1)。すなわち、図8のモータでは、磁極の発生する方向であるd軸方向よりも、それと電気的、磁気的に直交するq軸方向の磁気抵抗が小さくなり、q軸方向に突極性が生じる。このような突極性(Lq>Ld)を持つモータでは、電機子反作用によって、通電時の鎖交磁束φ0と無通電時の鎖交磁束φaとの位相差が大きくなると、Lqiq(iq:d−q座標上にて表した通電電流のq軸成分)が磁気飽和領域に達しやすくなる。Lqiqが磁気飽和領域に達すると、φ0の値が制限され、φ0と通電電流の積にて表されるモータトルクも制限される。
つまり、図8のモータは、電機子反作用によって、角部52からの磁束がステータ側の通電にて生じる磁束により歪められると、磁気飽和の影響により、出力トルクが低下する(図5(a)参照)。この出力低下は特に高負荷側にて著しく、理論トルク(誘起電圧波形の1次成分に電流をかけたもの)と、実際に電流を流したときに発生するトルクは、相電流が60(Apeak)を超えるあたりから乖離し始め、いわゆるトルクダレが生じる。このため、高負荷側にてトルクを確保するためには、モータの体格を大きくする必要があり、モータが大型化するという問題が生じる。
また、図8のようなモータでは、電機子反作用によって磁束が歪められることによるトルクリップルの悪化も懸念される。特に、EPS用モータでは全領域(全トルク範囲)にてトルクリップルを小さくする必要があることから、電機子反作用を可能な限り小さく抑える必要があり、その対策が求められていた。
本発明の目的は、セグメントマグネットを用いたモータにおける電機子反作用を低減し、高負荷域でのトルクダレやトルクリップルの低減を図ることにある。
本発明のブラシレスモータは、円筒状に形成されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータであって、前記ステータは、径方向内側に向かって延びるティースが周方向に沿って複数個形成されたステータコアを備え、前記ロータは、断面がD型に形成されたセグメントマグネットと、外周面に前記セグメントマグネットが取り付けられる多角形断面のロータコアを備え、前記ロータコアは、前記セグメントマグネットが取り付けられる平面状のマグネット取付部と、前記ロータコア外周面の前記マグネット取付部の間に設けられ、前記ティースの端面に対しエアギャップを介して対向配置される対向面と、を有することを特徴とする。
本発明にあっては、断面がD型に形成されたセグメントマグネットを使用したブラシレスモータにて、ロータコアのマグネット取付部の間に、例えば、ロータコアのコア頂点を面取りする形で平面状の対向面を設けることにより、従来のモータに比してロータ極間のエアギャップを広く確保できる。これにより、ロータ側の磁束がステータ界磁側からの磁束の影響を受けにくくなり、電機子反作用による高負荷領域でのトルクダレやトルクリップルが抑制される。
前記ブラシレスモータにおいて、隣接する前記セグメントマグネット間の距離をAとしたとき、前記対向面の周方向に沿った幅Bを(A/3)<B≦Aの範囲としても良い。また、前記エアギャップと前記対向面を通る磁路のインダクタンスと、前記セグメントマグネットと前記ティースの間のエアギャップと前記セグメントマグネットを通る磁路のインダクタンスがほぼ等しくなるように前記対向面を形成しても良い。
前記対向面を、前記マグネット取付部を平面に沿って延長したとき前記ロータコアに形成される多角形断面の頂点を周方向に沿って削除して設けても良く、また、前記対向面を、前記マグネット取付部の間を径方向に掘り込んだ溝の底面に形成しても良い。さらに、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使用しても良い。
本発明のブラシレスモータによれば、断面がD型に形成されたセグメントマグネットを使用したブラシレスモータにて、ロータコアのマグネット取付部の間に、ティースの端面にエアギャップを介して対向配置される対向面を設けることにより、従来のモータに比してロータ極間のエアギャップを広く確保することが可能となる。これにより、ロータの磁束がステータ界磁側からの磁束の影響を受けにくくなり、電機子反作用による高負荷領域でのトルクダレやトルクリップルを抑制することが可能となる。
本発明の一実施例であるEPS用モータの断面図である。 図1のEPS用モータの断面の概要を示す説明図である。 対向面の近傍の構成を示す説明図である。 (a)は従来のモータのロータコア、図4(b)〜(d)は本発明のモータのロータコアにおける対向面の構成を示す説明図である。 図4(a)〜(d)の構成にて、トルクダレについて実験を行った結果を示すグラフであり、図5(a)〜(d)はそれぞれ図4(a)〜(d)に対応し、図5(e)は各構成におけるトルクダレの最大値をまとめて表示した図である。 図4(a)〜(d)の構成にて、トルクリップルについて実験を行った結果を示すグラフであり、各構成におけるトルクリップルの最大値をまとめて表示した図である。 対向面として図4(c)の構成を採用し、マグネットの間にマグネットホルダのアームを配した構成例を示す説明図である。 D型断面のセグメントマグネットを使用した従来のモータのロータ構成を示す説明図である。
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EPS用モータの断面図、図2は、図1のEPS用モータの断面の概要を示す説明図である。EPS用モータ1(以下、モータ1と略記する)は、例えば、コラムアシスト式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、図1,2に示すように、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である。モータ1は、ステアリングシャフトに設けられた図示しない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、有底円筒形状のハウジング4と、ステータコア5、ステータコア5に巻装された界磁コイル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7とから構成されている。ハウジング4は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、モータヨークを兼ねている。ハウジング4の開口部には、固定ネジ10によって合成樹脂製のブラケット8が取り付けられる。ステータコア5には合成樹脂製のインシュレータ11が取り付けられており、インシュレータ11の外側にはコイル6が巻装されている。ステータコア5の一端側には、コイル6の端部6aが引き出されている。
ステータコア5には、径方向に沿って中心方向に延びるティース41が周方向に沿って複数個形成されている。ティース41の間はスロット42となっており、スロット42にはティース41に巻装されたコイル6が収容される。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9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9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の周囲にはこの給電用端子12が放射状に突出している。
一方、バスバー9の端部は、バスバーユニット7の端面から軸方向に延出され、バスバー端子33を形成している。バスバーユニット7の取り付けに際し、コイル端部6aは給電用端子12と溶接される。バスバーユニット7では、バスバー9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、ハウジング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、モータ回転軸となるシャフト13を有している。シャフト13は、ボールベアリング(以下、ベアリングと略記する)14a,14bによって回転自在に支持されている。リヤ側のベアリング14aは、ハウジング4の底部中央に形成されたベアリング収容部40に圧入固定されている。フロント側のベアリング14bは、金属製のベアリングホルダ19によって、ブラケット8の中央部に固定されている。
シャフト13には、電磁鋼板を積層して形成したロータコア15が固定されている。図2に示すように、ロータコア15の外周には、セグメントタイプのマグネット16が取り付けられている。マグネット16は、合成樹脂製のマグネットホルダ17によって、ロータコア15の外周に保持されている。モータ1では、マグネットホルダ17を用いることにより、接着剤を使用することなく、セグメント型のマグネット16をロータコア15の外周に固定している。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18が取り付けられている。
ここで、モータ1では、マグネット16として、ロータコアとの接触面を平面状に形成したD型断面の永久磁石が使用されている。このため、ロータコア15も円形断面ではなく多角形断面となっており、マグネット16の底面部16aが取り付けられる平面状のマグネット取付部15aが設けられている。前述のように、従来のモータでは、D型断面のセグメントマグネットを用いるに際し、隣接するマグネット16の間に多角形断面の頂点が配され、N/Sの切り替わり部が尖った状態となっている。このため、コア頂点部分とマグネット部分との間でインダクタンスに差違が生じ、電機子反作用によりトルクダレが発生するという問題がある。
これに対し、本発明によるモータ1では、隣接するマグネット16の間に、ロータコア15のコア頂点P(マグネット取付部15aを平面に沿って延長したときロータコア15に形成される多角形断面の頂点)を面取りする形で平面状の対向面43が設けられている。対向面43は、ティース41の端面41aに略並行に対向しており、ロータ極間のエアギャップを広く確保している。そしてこれにより、電機子反作用による高負荷領域でのトルクダレやトルクリップルの抑制を図っている。
図3は、対向面43の近傍の構成を示す説明図である。図3に示すように、対向面43は、隣接するマグネット16間の距離をAとすると、その周方向に沿った幅BがAよりも小さい寸法となっている(B≦A)。また、寸法Bは、図3に破線にて示したコア頂点Pの高さH(頂点Pと、マグネット16の対向する両端Q間を結ぶ線Rとの距離)を1/3以上削除した状態よりも大きい寸法となっている(B>(A/3))。発明者らの実験によれば、コア頂点を1/3以上削り落とすことにより、トルクダレやトルクリップルの抑制に有意な効果が得られる。つまり、モータ1では、対向面43の幅Bの寸法は、(A/3)<B≦Aの範囲に形成されている。
図4(a)は従来のモータのロータコア、図4(b)〜(d)は本発明のモータのロータコア15における対向面43の構成を示す説明図である。この場合、図4(b)は、マグネット16の間のコア頂点PをC面取りして対向面43を設けた構成、同(c),(d)は、マグネット16の間を掘り込む形で対向面43を設けた構成である。図4(b)の構成では、対向面43の幅Bは、隣接するマグネット16間の距離Aと等しく設定されている(B=A)。つまり、対向面43は、マグネット16の両端Qから始まる形で設けられている。図4(c)の構成では、ロータコア15の外周を径方向に対し斜めに掘り下げ、その底面に対向面43が形成されている。図4(d)の構成では、ロータコア15の外周を径方向に掘り下げ、その底面に対向面43が形成されている。図4(c),(d)では、B<Aとなっている。
なお、図4(c),(d)の場合、ロータコア15の外周を掘り込んでいるため、図3のような頂点削除による下限値ではなく、掘り込み深さによる下限値が採用される。これは、掘り込み深さを大きくすると、出力低下を招いたり、対向面43がシャフト13に近づき、シャフト13が磁化されたりするなどの弊害が生じるおそれがあるためである。シャフト13が磁化されると、回転検知用のレゾルバ信号にノイズが生じたり、ベアリング14a,14bが磁化し摩耗が増大したりするなどの問題がある。このため、図4(c),(d)のような掘り込み型の場合も、対向面43の幅BがA/3より大きくなるような掘り込み深さが好ましい。
図5,6は、図4(a)〜(d)の構成にて、トルクダレやトルクリップルについて実験を行った結果を示すグラフである。図5に示すように、トルクダレに関し、図4(a)の構成では最大17.4%のトルクダレがあったが、本発明による図4(b)〜(d)の構成では、これを14%程度にまで改善できた。また、図6に示すように、最大電流120Aでのトルクリップルも、図4(a)の構成では最大7.4%であったものが、図4(b)〜(d)の構成では、4%未満にまで改善できた。一方、図4(b)〜(d)の構成では、トルクダレやトルクリップルについて余り大きな差はなかった。
このように、本発明によるモータ1では、ロータ3の極間から頂点をなくし、極間部分におけるエアギャップ44を拡大しているので、ロータコア15(対向面43)とエアギャップ44を通る磁路のインダクタンスLqと、マグネット16とエアギャップ45を通る磁路のインダクタンスLdがほぼ等しくなる(Lq=Ld:Lq/Ld=1)。つまり、LqをLd並みに小さく抑えることができる。従って、電機子反作用によって、通電時の鎖交磁束φ0と無通電時の鎖交磁束φaとの位相差が大きくなっても、Lqiqが磁気飽和領域に達しにくくなり、φ0の値が制限されにくくなる。すなわち、本発明によるモータ1では、ステータ界磁側からの磁束の影響を受けにくくなり、図4(a)のような従来のモータ構造に比して、電機子反作用の影響によるトルクダレやトルクリップルを低減させることが可能となる。
一方、モータ1では、図7に示すように、対向面43として図4(c)の構成を採用し、マグネット16の間にマグネットホルダ17のアーム46を配している。マグネットホルダ17のアーム46は、対向面43から径方向中心側に向かって形成されたアーム固定溝47に固定されている。アーム固定溝47は、開口部47aが底部47bよりも小さくなっており、アーム46の下部に形成された嵌合部48が楔状に挿入・嵌合する。これにより、アーム46は径方向に抜け止めされる。また、アーム46の両側部には押接突起49が、上端部両側には押接片50がそれぞれ設けられている。マグネット16をアーム46の間に取り付けると、押接突起49がマグネット16の側面に当接し、マグネット16の幅方向への移動が規制される。さらに、マグネット16の外側にマグネットカバー18を装着すると、押接片50がマグネット16の上面に当接し、マグネット16の径方向への移動が規制される。
マグネットホルダ17の端部には、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。これに対し、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、合成樹脂製のブラケットホルダ25に収容されている。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8の中央部に設けられたリブ26の端部外周に軽圧入される。ブラケットホルダ25は、図示しないタッピンネジによって、ブラケット8の内側に固定される。
ブラケットホルダ25とブラケット8は、両者間にレゾルバホルダ24のフランジ部24aを介在させた形で、前述のタッピンネジにて固定される。フランジ部24aは、ブラケットホルダ25とブラケット8との間にて、周方向に若干移動可能に取り付けられており、レゾルバホルダ24は、ステータ23の位置調整後、レゾルバ固定ネジ28によってブラケットホルダ25に固定される。図1に示すように、ブラケットホルダ25には、金属製のレゾルバ固定ナット27が取り付けられている。レゾルバ固定ナット27には、ブラケット8の外側からレゾルバ固定ネジ28がねじ込まれ、ベアリングホルダ19とレゾルバホルダ24がブラケット8に共締めされる。これにより、レゾルバホルダ24は、周方向の位置が調整された状態でブラケット8の内側に固定される。
ブラケット8にはまた、パワーターミナル31がインサート成形されている。パワーターミナル31はU,V,Wの各相ごとに設けられ、その一端側31aが開口部32内に配置されている。パワーターミナル31の他端側31bは、パワーコネクタ34内に配置されている。ブラケット8をハウジング4に組み付けると、バスバーユニット7から軸方向に延びるバスバー端子33がパワーターミナル31と並列に対向する。モータ1では、ハウジング4にブラケット8を取り付けた後、開口部32内にてバスバー端子33とパワーターミナル31を溶接固定する。
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、EPS用のブラシレスモータについて説明したが、その用途はEPSには限定されない。すなわち、本発明をパワースライドドアやワイパ装置、パワーウインドなどの車載電装製品の駆動源や、その他の電気製品に使用されるブラシレスモータ一般に適用することも可能である。
1 EPS用モータ
2 ステータ
3 ロータ
4 ハウジング
5 ステータコア
6 界磁コイル
6a コイル端部
7 バスバーユニット
8 ブラケット
9 バスバー
10 固定ネジ
11 インシュレータ
12 給電用端子
13 シャフト
14a,14b ベアリング
15 ロータコア
15a マグネット取付部
16 セグメントマグネット
16a 底面部
17 マグネットホルダ
18 マグネットカバー
19 ベアリングホルダ
21 レゾルバ
22 レゾルバロータ
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
26 リブ
27 レゾルバ固定ナット
28 レゾルバ固定ネジ
31 パワーターミナル
31a 一端側
31b 他端側
32 開口部
33 バスバー端子
34 パワーコネクタ
40 ベアリング収容部
41 ティース
41a 端面
42 スロット
43 対向面
44 エアギャップ
45 エアギャップ
46 アーム
47 アーム固定溝
47a 開口部
47b 底部
48 嵌合部
49 押接突起
50 押接片
51 ロータコア
52 角部
53 エアギャップ
54 マグネット
55 エアギャップ
A 隣接するマグネット間の距離
B 対向面の幅寸法
P コア頂点
Q マグネット両端
R マグネットの対向する両端Q間を結ぶ線

Claims (6)

  1. 円筒状に形成されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータとを有してなるブラシレスモータであって、
    前記ステータは、径方向内側に向かって延びるティースが周方向に沿って複数個形成されたステータコアを備え、
    前記ロータは、断面がD型に形成されたセグメントマグネットと、外周面に前記セグメントマグネットが取り付けられる多角形断面のロータコアを備え、
    前記ロータコアは、前記セグメントマグネットが取り付けられる平面状のマグネット取付部と、前記ロータコア外周面の前記マグネット取付部の間に設けられ、前記ティースの端面に対しエアギャップを介して対向配置される対向面と、を有する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、隣接する前記セグメントマグネット間の距離をAとしたとき、前記対向面の周方向に沿った幅Bが(A/3)<B≦A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、前記対向面は、前記エアギャップと前記対向面を通る磁路のインダクタンスと、前記セグメントマグネットと前記ティースの間のエアギャップと前記セグメントマグネットを通る磁路のインダクタンスがほぼ等しくなるように形成されることを特徴とするブラシレスモータ。
  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、前記対向面は、前記マグネット取付部を平面に沿って延長したとき前記ロータコアに形成される多角形断面の頂点を、周方向に沿って削除して設けられることを特徴とするブラシレスモータ。
  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、前記対向面は、前記マグネット取付部の間を径方向に掘り込んだ溝の底面に形成されることを特徴とするブラシレスモータ。
  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装置の駆動源として使用されることを特徴とするブラシレスモータ。
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