JP2013135548A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータのコギングとトルクリップルの両方をバランス良く低減させ、モータの静粛性向上を図る。
【解決手段】ロータコアにマグネットを配置した一方向にのみ回転するブラシレスモータにて、マグネット１６ａ〜１６ｃを、軸方向に隣接するマグネット同士を周方向にずれた位置に設けるステップスキュー構造にて配置する。マグネット１６ａ〜１６ｃは、通電タイミングの基準となる基準マグネット１６ｂと、基準マグネット１６ｂの軸方向両側に配置された遅角側マグネット１６ａ及び進角側マグネット１６ｃとからなる。基準マグネット１６ｂと遅角側マグネット１６ａとの間の周方向のステップ角θstep１を、基準マグネット１６ｂと進角側マグネット１６ｃとの間の周方向のステップ角θstep２よりも小さく（θ１＜θ２）設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、スキュー構造を有するブラシレスモータに関し、特に、一方向にのみ回転するブラシレスモータの静粛性向上技術に関する。

ブラシレスモータの静粛性向上のためには、トルクリップルやコギングを低減させ、モータを滑らかに回転させることが不可欠である。このため、静粛性対策として、従来より、スキュー構造によってコギングを低減させると共に、誘起電圧の高調波成分を低減させてトルクリップルを低減させる方法が広く用いられている。

特開２００９−２１３２８６号公報 特開２００４−２４８４２２号公報

一方、トルクリップルは、通電時のリップルとコギングの合成である。この場合、コギングはスキュー構造によって低減できるものの、通電時のリップルは、スキュー構造によって却って悪化してしまう場合がある。例えば、６極９スロットの３段ステップスキュー構造のモータでは、スキュー角をコギングが最小となる２１°に設定すると（図７参照）、スキュー０°の場合よりもトルクリップルが悪化してしまう（図８参照）。すなわち、トルクリップルとコギングには、一方を低減させると他方が増大してしまうトレードオフ的な関係があり、モータの静粛性向上には、それらを良好なバランスで低減させることが望まれる。特に、ロータコア内にマグネットを埋設配置したＩＰＭ(Interior Permanent Magnet)型のブラシレスモータにおいては、モータトルクがマグネットトルクとリラクタンストルクとによって求められるため、トルクリップルとして、リラクタンストルクの影響が大きくなる傾向があり、特に、モータの静粛性の向上が求められている。

本発明の目的は、ブラシレスモータのコギングとトルクリップルの両方をバランス良く低減させ、モータの静粛性向上を図ることにある。

本発明のブラシレスモータは、界磁用のコイルを備えたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備え、一方向にのみ回転するブラシレスモータであって、前記ロータは、回転軸上に装着されたロータコアと、前記ロータコアに配置されたマグネットと、を備え、前記マグネットは、軸方向に隣接する前記ロータコアの前記マグネット同士が、周方向にずれた位置に設けられるステップスキュー構造にて配置され、通電タイミングの基準となる基準マグネットと、該基準マグネットの軸方向両側に配置された遅角側マグネット及び進角側マグネットと、を有し、前記基準マグネットと前記遅角側マグネットとの間の周方向のずらし角θ１が、前記基準マグネットと前記進角側マグネットとの間の周方向のずらし角θ２よりも小さい（θ１＜θ２）ことを特徴とする。

また、本発明のブラシレスモータは、前記ロータは、回転軸上に装着され軸方向に沿って３個以上に分割され、前記マグネットは、前記各ロータコア内に埋設配置されていることを特徴とする。

本発明の他のブラシレスモータは、界磁用のコイルを備え、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と、前記ステータの内側に回転自在に配置され、回転軸上に装着されたロータコアと、前記ロータコアに配置されたマグネットとを備えたロータと、を有してなる一方向にのみ回転するブラシレスモータであって、該ブラシレスモータは、前記ティース、又は、前記マグネットの磁極が、軸方向に対して斜めに設けられたスキュー構造を有し、前記ティース、又は、前記マグネットの磁極の軸方向に対する傾斜角は、通電タイミングの基準となる基準位置に対して遅角側の傾斜角θ１が、進角側の傾斜角θ２よりも小さい（θ１＜θ２）ことを特徴とする。

また、本発明のブラシレスモータは、前記マグネットが、前記ロータコア内に埋設配置されていることを特徴とする。

本発明にあっては、通電タイミングの基準となる位置よりも遅角側のスキュー角を進角側のスキュー角よりも小さく設定することにより、遅角側のトルク波形が基準位置におけるトルク波形に近づき、位相も進角側の波形とはずれた状態となる。このため、スキュー角を一定とした場合、進角側と遅角側のリップルが同位相となり倍増していたトルクリップルが、互いに打ち消し合う部分が生じ、全体的にはトルクリップルを低減させることが可能となる。従って、スキューによるトルクリップルの悪化を抑制しつつ、通常のスキュー構造のモータよりもコギングを小さく抑えることができ、ブラシレスモータのコギングとトルクリップルの両方をバランス良く低減させることが可能となる。

本発明のブラシレスモータによれば、ロータコアにマグネットを配置した一方向にのみ回転するブラシレスモータにて、マグネットをステップスキュー構造にて配置すると共に、通電タイミングの基準となる基準マグネットと遅角側マグネットとの間のずらし角θ１を、基準マグネットと進角側マグネットとの間のずらし角θ２よりも小さく設定することにより、スキューによるトルクリップルの悪化を抑制しつつ、通常のスキュー構造のモータよりもコギングを小さく抑えることが可能となる。これにより、ブラシレスモータのコギングとトルクリップルの両方をバランス良く低減させることができ、モータの静粛性向上を図ることが可能となる。

本発明のブラシレスモータによれば、ティース又はマグネットの磁極が軸方向に対して斜めに設けられたスキュー構造を有する一方向にのみ回転するブラシレスモータにて、ティース又はマグネットの磁極の軸方向に対する傾斜角を、通電タイミングの基準となる基準位置に対して遅角側の傾斜角θ１が、進角側の傾斜角θ２よりも小さくなるように設定することにより、スキューによるトルクリップルの悪化を抑制しつつ、通常のスキュー構造のモータよりもコギングを小さく抑えることが可能となる。これにより、ブラシレスモータのコギングとトルクリップルの両方をバランス良く低減させることができ、モータの静粛性向上を図ることが可能となる。

本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。 ロータ側のスキュー角についての説明図である。 通常のステップスキュー構造におけるマグネット配置を示す説明図である。 ステップスキュー構造のモータにおけるトルク波形を示す説明図である。 本発明のブラシレスモータにおけるマグネット配置を示す説明図である。 スキュー角を変更した場合におけるトルクリップルとコギングの大きさを示す説明図であり、左側がトルクリップル、右側がコギングを示している。 スキュー角とコギングの関係を示すグラフである。 スキュー角とトルクリップル率の関係を示すグラフである。

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ブラシレスモータの断面図である。図１に示すように、ブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、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となっている。モータ１は一方向にのみ回転使用され、例えば、オイルポンプなど、正逆回転を行わない装置の動力源として使用される。

ステータ２は、有底円筒形状のケース４と、ステータコア５、ステータコア５に巻装されたステータコイル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（端子ユニット）７とから構成されている。ケース４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、その開口部には、図示しない固定ネジによってアルミダイキャスト製のブラケット８が取り付けられる。

ステータコア５は、電磁鋼板を積層して形成されており、複数個（ここでは９個）のティースが径方向内側に向かって突設されている。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、バスバーユニット７が取り付けられている。バスバーユニット７は、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバーがインサート成形された構成となっている。

バスバーユニット７の周囲には、複数個の給電用端子１２が径方向に突設されている。バスバーユニット７の取り付けに際し、給電用端子１２は、ステータコア５から引き出されたコイル６の端部６ａが溶接される。バスバーユニット７では、バスバーはモータ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）設けられている。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、ケース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はロータシャフト１３を有しており、ロータシャフト１３はベアリング１４ａ,１４ｂによって回転自在に支持されている。ベアリング１４ａはケース４の底部中央に、ベアリング１４ｂはブラケット８の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト１３には、円筒形状のロータコア１５（１５ａ〜１５ｃ）と、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。レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、合成樹脂製のレゾルバブラケット２４に収容されており、取付ネジ２５によってブラケット８の内側に固定される。

ロータコア１５の内部には、セグメント型の複数のマグネット（永久磁石）１６（１６ａ〜１６ｃ）が取り付けられており、モータ１は、ＩＰＭ型の構成となっている。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、周方向に沿って６個×３列配置されており、モータ１は、６極９スロット（以下、６Ｐ９Ｓのように略記する）構成となっている。マグネット１６ａ〜１６ｃは軸方向に３列配置されており、各列のマグネット１６ａ〜１６ｃは、隣接列の同極性マグネットが、周方向に所定のステップ角θstep（隣接列のマグネット中心間角度）ずつずれた位置関係で取り付けられている。すなわち、モータ１のロータ３は、マグネット１６ａ〜１６ｃが３段積となったステップスキュー構造となっている。図２に示すように、マグネット１６ａ,１６ｂ間、マグネット１６ｂ,１６ｃ間のステップ角θstep１,θstep２は、マグネット１６ａ〜１６ｃの中心点Ｃ１〜Ｃ３（周方向・軸方向共）とすると、それぞれ、Ｃ１,Ｃ２、Ｃ２,Ｃ３間の回転中心Ｏに対する中心角となる。

ここで、６極９スロットの３段ステップスキュー構造のモータでは、前述のように、スキュー構造を採用するとトルクリップルが悪化してしまう。図３に示すように、ステップスキュー構造では、マグネットＭ１〜Ｍ３が回転方向にずれた配置となっている。従って、通電のタイミングをマグネットＭ２に合わせ（基準位置）、Ｍ２におけるトルクリップルが最小となるような制御を行うと、回転方向に対して上段側のマグネットＭ１は遅角位置となり、下段側のマグネットＭ３は進角位置となる。このため、マグネットＭ１,Ｍ３に作用するリラクタンストルクにより、図４に示すような同位相のリップル（進角・遅角）が発生し、これがトルクリップル悪化の原因となっている。また、遅角側では、基準位置よりもトルクも小さくなる。

そこで、本発明のモータ１では、図５に示すように、遅角側のマグネット１６ａ（遅角側マグネット：図３のＭ１に相当）のステップ角θstep１（ずらし角θ１）を、進角側のマグネット１６ｂ（進角側マグネット：同Ｍ３）のステップ角θstep２（ずらし角θ２）よりも小さく設定し（θstep１＜θstep２）、これにより、進角側と遅角側のトルク波形の位相を異ならせ、スキュー構造におけるトルクリップルの悪化を抑制している。このように、θstep１をθstep２よりも小さくすると、図４の一点鎖線（遅角シフト配置）のように、遅角側のトルク波形が基準位置のトルク波形に近づき、位相も進角側の波形とはずれた状態となる。このため、進角側と遅角側のリップルに打ち消し合う部分が生じ、完全に相殺することはできないものの全体的にはトルクリップルを低減させることが可能となる。従って、θstep１＝θstep２とした場合に、進角側と遅角側の同位相のリップルにより倍増していたトルクリップルを着実に低減させることが可能となる。また、遅角側のトルクもアップするため、モータの全体的なトルクも向上する。

一方、前述のように、スキュー角をθstep１＜θstep２のように設定すると、コギングに関しては、θstep１＝θstep２の場合よりも増大することが予測される。図６は、スキュー角を変更した場合におけるトルクリップルとコギングの大きさを示す説明図であり、左側がトルクリップル、右側がコギングを示している。図６に示すように、スキューを０とした場合、トルクリップルは少ないもののコギングが非常に大きくなる。そこで、スキュー角を１５°（skew15：θstep＝５°等分）、１８°（skew18：θstep＝６°等分）、２１°（skew21：θstep＝７°等分）と大きくして行くと、角度増と共にコギングは減少するものの、今度はトルクリップルが大きくなる。そして、コギングが最小となるスキュー角２１°の場合では、トルクリップルは、スキュー角０の場合の２倍以上に増大する。

これに対し、本発明のように、θstep１＜θstep２とし、θstep１＝５°,θstep２＝７°に設定すると（図６：skew-507）、全体のスキュー角は１８°相当となる。そこで、スキュー角１８°の場合と比べると、コギングは余り変わらないものの、トルクリップルは２５％弱低減され、スキュー角０の場合と同程度に抑えられる。また、スキュー角２１°の場合と比べると、コギングは大きくなるもの、トルクリップルは約半分に抑えられる。さらに、スキュー角１５°と比べると、トルクリップル・コギングの何れも低く抑えられる。図６から分かるように、従来のθstep１＝θstep２の設定では、全体的なバランスを見るとスキュー角１８°の場合が良好であるが、本発明による設定では、それよりもトルクリップルを小さく抑えることができ、最もバランスの良い結果を得ることが可能となる。

このように、本発明のモータ１においては、３段以上の段積みロータを備えたＩＰＭモータにて、進角側のスキュー角＞遅角側のスキュー角とすることにより、スキューによるトルクリップルの悪化を抑制しつつ、コギングの小さいモータを実現することが可能となる。これにより、トルクリップルの要因として、リラクタンストルクの影響が大きくなるＩＰＭ型ブラシレスモータにおいて、コギングとトルクリップルの両方をバランス良く低減させることができ、モータの静粛性向上を図ることが可能となる。

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、ロータコア内にマグネットを埋設配置したＩＰＭ構造のブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、これに限定されず、本発明は、ロータコアの表面にマグネットを配置したＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構造のブラシレスモータに適用することもできる。

また、前述の実施例では、ロータ側をスキュー構造としたモータについて説明したが、ステータ側にスキューを施したモータにも本発明は適用可能である。この場合は、径方向内側に向かって延びるティースに施されたスキューの傾斜角が、通電タイミングの基準となる基準位置に対し、それよりも遅角側に位置するティースのスキュー角θ１を、進角側のスキュー角θ２よりも小さく（θ１＜θ２）設定する。

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ケース
５ ステータコア
６ ステータコイル
６ａ 端部
７ バスバーユニット
８ ブラケット
１１ インシュレータ
１２ 給電用端子
１３ ロータシャフト
１４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ａ〜１５ｃ ロータコア
１６ａ マグネット（遅角側マグネット）
１６ｂ マグネット（基準マグネット）
１６ｃ マグネット（進角側マグネット）
２１ レゾルバ
２２ ロータ
２３ ステータ
２４ レゾルバブラケット
２５ 取付ネジ
Ｍ１〜Ｍ３ マグネット
Ｏ 回転中心
Ｃ１〜Ｃ３ マグネット中心点
θstep ステップ角

Claims (4)

1. 界磁用のコイルを備えたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を備え、一方向にのみ回転するブラシレスモータであって、
   前記ロータは、回転軸上に装着されたロータコアと、前記ロータコアに配置されたマグネットと、を備え、
   前記マグネットは、軸方向に隣接する前記ロータコアの前記マグネット同士が、周方向にずれた位置に設けられるステップスキュー構造にて配置され、通電タイミングの基準となる基準マグネットと、該基準マグネットの軸方向両側に配置された遅角側マグネット及び進角側マグネットと、を有し、
   前記基準マグネットと前記遅角側マグネットとの間の周方向のずらし角θ１が、前記基準マグネットと前記進角側マグネットとの間の周方向のずらし角θ２よりも小さい（θ１＜θ２）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、
   前記ロータは、回転軸上に装着され軸方向に沿って３個以上に分割され、前記マグネットは、前記各ロータコア内に埋設配置されていることを特徴とするブラシレスモータ。
3. 界磁用のコイルを備え、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と、
   前記ステータの内側に回転自在に配置され、回転軸上に装着されたロータコアと、前記ロータコアに配置されたマグネットとを備えたロータと、を有してなる一方向にのみ回転するブラシレスモータであって、
   該ブラシレスモータは、前記ティース、又は、前記マグネットの磁極が、軸方向に対して斜めに設けられたスキュー構造を有し、
   前記ティース、又は、前記マグネットの磁極の軸方向に対する傾斜角は、通電タイミングの基準となる基準位置に対して遅角側の傾斜角θ１が、進角側の傾斜角θ２よりも小さい（θ１＜θ２）ことを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項３記載のブラシレスモータにおいて、
   前記マグネットは、前記ロータコア内に埋設配置されていることを特徴とするブラシレスモータ。

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