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

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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