JP2014054060A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＰＭモータにおける隣接磁極間の磁束漏れを抑え、有効磁束を増大させてマグネットトルクの向上を図る。
【解決手段】ブラシレスモータ１は、ロータ３内にマグネット１６が収容固定されたＩＰＭ型の構成となっている。ロータ３は、ロータコア１５とマグネット取付孔３０及びマグネット１６を有する。ロータコアは、マグネット１６が配置された磁極部３１と、磁極部３１の間に設けられたブリッジ部３３と、磁極部３１の周方向両端に形成された切欠部３８とを有する。切欠部３８の周方向の幅Ｗａは、マグネット１６の周方向の幅Ｗｍの０.９倍よりも大きく（Ｗａ＞０.９Ｗｍ）設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、ブラシレスモータのロータ構造に関し、特に、マグネット埋め込み式のモータ（ＩＰＭモータ：Interior Permanent Magnet Motor）のロータコア構造に関する。

近年、ロータ内部に磁石を埋め込み、マグネットの磁力によるトルクと、ロータの磁化によるリラクタンストルクの両方によってロータを回転させるマグネット埋め込み式のブラシレスモータ（ＩＰＭモータ）の利用が拡大している。ＩＰＭモータは、マグネット トルクに加えてリラクタンストルクを活用できるため、高効率で高トルクなモータとして、ハイブリッド自動車やエアコン等への使用が増加している。

図１１は、このようなＩＰＭモータにて使用されるロータコアの構成を示す説明図である。図１１に示すように、ロータコア５１は、電磁鋼板にて形成されたコアプレート５２を複数枚積層させた構成となっている。各コアプレート５２の外周部には、周方向に沿って複数個のスリット孔５３が設けられている。コアプレート５２は、スリット孔５３が重なるように軸方向に積層される。各スリット孔５３にはそれぞれマグネット５４が収容固定される。スリット孔５３に収容されたマグネット５４の周方向両端側には、フラックスバリアともなる空隙部５５が形成される。隣接するスリット孔５３の間には、部材連結部としてブリッジ部５６が設けられている。

特開２００３−３７９５５公報 特表２００６−５０９４８３公報

ところが、図１１のようなロータコアを使用するＩＰＭモータでは、マグネット５４の磁束がブリッジ部５６を介して隣接極に漏れてしまい、マグネットの磁束を有効に利用できないという問題があった。ブリッジ部５６を介して隣接極に流れる磁束はモータのトルクには寄与しないため、磁束漏れに伴う有効磁束の減少はトルクアップの妨げとなっており、その対策が求められていた。

また、ブリッジ部５６に漏れる磁束の量は、無通電時にはそれほど多くはないが、界磁側に通電するとその磁束の影響により、ブリッジ部５６に回り込んでしまう磁束量が増加するという現象が生じる。特に高負荷時には、図６に示すように（一点鎖線）、電機子反作用の影響により漏れ磁束も増大し、トルク維持のために電流量が急激に増大してしまうという問題があった。

本発明の目的は、ＩＰＭモータにおける隣接磁極間の磁束漏れを抑え、有効磁束を増大させてマグネットトルクの向上を図ることにある。

本発明のブラシレスモータは、モータケースと、前記モータケースに固定されたステータと、前記モータケースに回転自在に支持されたロータシャフトと、前記ステータの内側に配置され前記ロータシャフトに固定されたロータと、を備えてなるブラシレスモータであって、前記ロータは、磁性材料にて形成されたロータコアと、前記ロータコア内に周方向に沿って等間隔に配置された複数個のマグネット取付孔と、前記マグネット取付孔に収容固定される複数個のマグネットと、を有し、前記ロータコアは、前記マグネットが配置された磁極部と、隣接する前記磁極部の間に設けられたブリッジ部と、前記磁極部の周方向両端に形成され前記磁極部と前記ブリッジ部の間に設けられた切欠部と、を有することを特徴とする。

前記ブラシレスモータにおいて、前記ブリッジ部に、前記マグネット取付孔の周方向端部に設けられ前記ロータコアの外周縁と前記マグネット取付孔の外周縁との間に形成される外縁架橋部と、隣接する前記マグネット取付孔間に形成された隔壁部と、を設け、前記切欠部を、前記磁極部の前記マグネットよりも外側に形成された磁極外周部と前記外縁架橋部との間に形成しても良い。また、前記磁極外周部の両端に、前記切欠部により、前記外縁架橋部と接続され該外縁架橋部と略同一幅に形成された回廊部を形成しても良い。また、前記外縁架橋部と前記回廊部と前記隔壁部の板幅をｃ、前記ロータコアの板厚をｔとしたとき１.０ｔ≦ｃ＜１.２ｔに設定しても良い。さらに、前記磁極部の周方向両端に形成された前記切欠部の周方向の幅Ｗａを、前記マグネットの周方向の幅Ｗｍの０.９倍よりも大きく（Ｗａ＞０.９Ｗｍ）設定しても良い。

一方、前記磁極部の前記マグネットよりも外側に形成された磁極外周部に、前記ロータの中心と前記磁極部の中心とを結んだ径方向の線分に対して平行に延びる複数のスリットを等間隔にて設けても良い。

本発明のブラシレスモータによれば、マグネットが配置された磁極部と、隣接する磁極部の間に設けられたブリッジ部とを有するロータコアに、磁極部の周方向両端に形成され磁極部とブリッジ部の間に配置された切欠部を設けたので、従来モータにて漏れ磁束の磁路となっていた極間のブリッジ部の磁路幅を狭くし、極間の磁気抵抗を増大させることができ、他極への磁束漏れを低減させることが可能となる。従って、マグネットの有効磁束を増大させることができ、磁束を有効活用しマグネットトルクの向上を図ることが可能となる。

本発明の第１実施形態であるブラシレスモータの断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 磁極部の構成を示す説明図である。 切欠部の周方向の幅Ｗａとマグネットの周方向の幅Ｗｍとの比（Ｗａ／Ｗｍ）とトルクとの関係を示す説明図である。 切欠部の有無によるトルクの違いを示す説明図である。 トルクと相電流の関係を、従来のＩＰＭモータ（一点鎖線）と本発明によるＩＰＭモータ(実線）にて比較して示した説明図である。 本発明の第２実施形態であるブラシレスモータにおける磁極部の構成を示す説明図である。 スリットや切欠部を設けたモータと、これらを設けないモータの平均トルク値を比較した説明図である。 ｑ軸電流とトルクの関係を、スリット・切欠部なし、スリットあり・切欠部なし、スリット・切欠部ありの各場合で比較して示した説明図である。 切欠部の形成条件とコギングトルクとの関係を示した説明図である。 従来のＩＰＭモータにて使用されるロータコアの構成を示す説明図である。

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は本発明の第１の実施形態であるブラシレスモータの断面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。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おり、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。

ステータ２は、有底円筒形状のモータケース４（以下、ケース４と略記する）の内側に固定されており、ステータコア５と、後述するステータコア５のティース９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に取り付けられコイル６と電気的に接続さ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９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個と各相同士の接続用の１個の計４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軸支されている。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×軸方向に３列配置されており、モータ１は、６極９スロット構成となっている。ロータコア１５もまた、図１１のロータコア５１と同様に、電磁鋼板からなるコアプレートを複数枚積層させた構成となっている。

ロータコア１５の外周部には、周方向に沿って、複数個のマグネット取付孔３０が設けられている。マグネット取付孔３０は、ロータコア１５を軸方向に貫通している。各マグネット取付孔３０内には、マグネット１６が収容固定される。ロータコア１５内には、周方向に沿ってマグネット１６が等間隔に配置され、各マグネット１６の部位には磁極部３１が形成されている。磁極部３１の外縁３１ａは、磁極部３１の先端部（最大径部）Ｘとロータ３の中心Ｏとの距離Ｒ１よりも小さい半径Ｒ２の円弧となっている（Ｒ２＜Ｒ１）。マグネット取付孔３０に直方体状のマグネット１６を挿入すると、マグネット１６の周方向両側には空隙部３２が形成される。この空隙部３２は、磁束が通りにくいフラックスバリアとして機能する。

隣接する磁極部３１の間には、ブリッジ部３３が設けられている。図３は、磁極部３１の構成を示す説明図である。図３に示すように、ブリッジ部３３は略Ｔ字形に形成されており、Ｔ字の横辺に当たる外縁架橋部３４と、同じく縦辺に当たる隔壁部３５とから構成されている。外縁架橋部３４は、マグネット取付孔３０の周方向端部に設けられており、磁極部３１の外縁３１ａと同じ半径Ｒ２の円弧にて外延３１ａから連続して形成され、マグネット取付孔３０の空隙部３２との間に設けられている。外縁架橋部３４は、隣接するマグネット取付孔３０の端部にも同様に設けられており、ロータコア外周縁３６に沿って周方向に延びている。外縁架橋部３４の中央には隔壁部３５が設けられている。隔壁部３５は、外縁架橋部３４の中央から径方向内側に延びてロータコア１５の本体部と連結されており、隣接するマグネット取付孔３０の間に形成される。外縁架橋部３４と隔壁部３５の幅は、コアプレートの板厚（約０.５ｍｍ程度）と略同一に形成されている。

ロータコア１５では、磁極部外縁３１ａの半径Ｒ２が、ロータコア１５の最凹部である点Ｙ（外縁架橋部３４と隔壁部３５との交点)とロータ３の中心Ｏとの距離Ｒ３よりも小さくなっている（Ｒ２＜Ｒ３、なお、Ｒ３＜Ｒ１）。半径Ｒ２の中心は、マグネット１６の中心線Ｍ上に配置されており、磁極部３１は、点Ｙから半径Ｒ２にて、径方向外側に膨出する形となっている。

モータ１ではさらに、磁極部３１の周方向両端に切欠部３８が設けられている。切欠部３８は、ロータコア外周縁３６を一部切り欠く形で、磁極部３１とブリッジ部３３との間、より詳しくは、磁極部３１のマグネット１６の外側に形成された磁極外周部３９とブリッジ部３３の外縁架橋部３４との間に形成されている。これにより、磁極外周部３９の周方向両端に一対の切欠部３８が設けられ、磁極外周部３９の両端には、切欠部３８により、外縁架橋部３４と接続された回廊部４１が形成される。回廊部４１の幅は外縁架橋部３４の幅と略同一、すなわち、コアプレートの板厚と略同一に形成されている。

なお、ここでは、ブリッジ部３３や回廊部４１の幅をコアプレートの板厚と略同一に形成した例を示したが、磁束漏れを考慮すると、これらの幅はより狭い方が好ましい。しかしながら、コアプレートをプレス加工する際の加工性、すなわちブランク材の応力変形や割れを回避するには、ブリッジ部３３や回廊部４１の幅を板厚以上の値にする必要がある。従って、磁束漏れと加工性を考慮すると、ブリッジ部３３や回廊部４１の幅は、板厚と略同一とすることが好ましい。

磁極外周部３９に設けられた一対の切欠部３８は、その周方向の幅Ｗａ（切欠部３８の周方向両端面４２間の距離）が、マグネット１６の周方向の幅Ｗｍ（マグネット１６の周方向両端面４３間の距離）に対し、Ｗａ＞０.９Ｗｍ、好ましくは、Ｗａ≧Ｗｍとなるように形成されている。また、幅Ｗａは、磁極外周部３９両端に位置する同極の外縁架橋部３４間の周方向の幅Ｗｐよりも小さく、Ｗａ＜１.０５Ｗｍに形成されている。発明者らの実験によれば、図４に示すように、Ｗａ,Ｗｍの関係はＷａ＝Ｗｍが最も好ましく、Ｗａが０.９Ｗｍより小さくなるとトルクが低下する傾向があった。従って、切欠部３８の幅Ｗａは、１.０Ｗｍ≦Ｗａ＜１.０５Ｗｍの範囲に設定することがより好ましい。

このような切欠部３８を設けると、外縁架橋部３４と磁極外周部３９との間に細い回廊部４１が形成される。このため、磁極外周部３９から外縁架橋部３４に至る磁気通路の幅が狭くなり、その分、磁気抵抗が増大し、漏れ磁束が抑えられる。図５は、切欠部の有無によるトルクの違いを示す説明図であり、発明者らの実験によれば、切欠部３８により、３％程度のトルク改善が見られた(改善前：切欠部なし，改善後：切欠部あり)。これは、マグネット１６としてネオジウムマグネットを用いた場合、マグネットのグレードでは２グレード程度の改善となり、その分、製品コストの低減が図られる。

また、切欠部３８により、外縁架橋部３４と磁極外周部３９の接続部が、その分だけ界磁側（ティース９の先端）から離れることになる。すなわち、界磁側との距離が大きくなり、その分、界磁側からの影響も受けにくくなる。発明者らの実験によれば、従来、通電時は界磁側の影響により漏れ磁束が大きく増大していたのに対し、切欠部３８を設けた場合、電機子反作用が低減し、通電時における磁束の漏れが無通電時と同等程度に抑えられた。このため、図６に実線にて示したように、従来モータ（一点鎖線）に比して高負荷時における電流量の増大が抑えられ、この点においても、磁束の有効活用が図られる。

次に、本発明の第２の実施形態として、磁極外周部３９にスリットを形成したブラシレスモータについて説明する。図７は、その構成を示す説明図である。なお、ここでは、第１の実施の形態のモータ１と同様の部分、部材等については同一の符号を付し、その説明は省略する。

図７に示すように、第２実施形態のモータ４５では、磁極外周部３９内に複数個のスリット４６が設けられている。スリット４６は、マグネット１６の磁化方向、すなわち、ロータ３の中心Ｏと磁極部３１の中心とを結んだ径方向の線分（マグネット１６の中心線Ｍ）に沿って設けられている。各スリット４６は、中心線Ｍと平行に等間隔で配置されている。このようなスリット４６を磁極外周部３９に設けると、電機子反作用の影響が低減され、トルクダレが改善されると共に、トルクリップルも低減される。ところが、従来のブラシレスモータでは、図７に破線にて示したように、磁極外周部３９が円弧状となっており、前述同様、ブリッジ部３３から磁束漏れが生じ、トルクが低下してしまう傾向がある。そこで、発明者らは、スリット４６を有するモータにおいて、コギングトルクがＥＰＳにおける閾値（１５.０ｍＮｍ）を超えない範囲でトルクアップを図るべく、磁極外周部３９に切欠部４７を設け、モータ特性の改善を試みた。

第１実施形態のモータ１と同様、図７のモータ４５にも、磁極外周部３９の両端に切欠部４７が設けられており、ブリッジ部３３と磁極外周部３９との間には、回廊部４１が形成されている。このため、磁極外周部３９からブリッジ部３３に至る磁気通路の幅が狭くなっており、その分、磁気抵抗が増大し、漏れ磁束が抑えられる。図８は、このようなスリット４６や切欠部４７を設けたモータと、これらを設けないモータの平均トルク値を比較した説明図である。図８に示すように、何も設けないモータに対し、スリット４６を設けることにより、トルクが約７％アップし、これに切欠部４７を設けると、トルクがさらに２％アップした。また、トルクダレについても、図９に示すように、スリット４６のみのものよりも改善されることが分かった。

一方、コギングトルクに関しては、同じく発明者らの実験によれば、隣接する磁極間の切欠部４７の外側角θ（切欠部４７の磁極外周部中央側の点Ｐ間の中心角ＰＯＰ）を、マグネット１６の極弧角β（隣接するマグネット１６の対向する外径側端部Ｑ間の中心角ＱＯＱ）に対し、θ／β＝０.６に設定するとそれが最小となることが分かった。また、コギングトルクは、この場合（θ／β＝０.６）のθに対して、θを±２°の範囲で設定することにより、閾値以下に抑えられることも分かった（図１０）。なお、このようなθとβの関係やθの範囲は、第１実施形態のモータ１においても適用可能である。

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、本発明による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た場合について説明したが、本発明は、他の車載電動装置や、ハイブリッド自動車、電気自動車、エアコン等の電気製品等に広く適用可能である。

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ モータケース
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
９ ティース
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
１５ ロータコア
１６ マグネット
１６ａ〜１６ｃ マグネット
２１ レゾルバ
２２ レゾルバロータ
２３ レゾルバステータ
２４ レゾルバブラケット
２５ 取付ネジ
３０ マグネット取付孔
３１ 磁極部
３１ａ 外縁
３２ 空隙部
３３ ブリッジ部
３４ 外縁架橋部
３５ 隔壁部
３６ ロータコア外周縁
３７ マグネット取付孔外周縁
３８ 切欠部
３９ 磁極外周部
４１ 回廊部
４２ 切欠部周方向両端面
４３ マグネット周方向両端面
４５ モータ
４６ スリット
４７ 切欠部
５１ ロータコア
５２ コアプレート
５３ スリット孔
５４ マグネット
５５ 空隙部
５６ ブリッジ部
Ｏ ロータコア中心
Ｍ マグネット中心線
Ｗａ 切欠部の周方向幅
Ｗｍ マグネットの周方向幅
β マグネット極弧角
θ 切欠部外側角

Claims (6)

1. モータケースと、前記モータケースに固定されたステータと、前記モータケースに回転自在に支持されたロータシャフトと、前記ステータの内側に配置され前記ロータシャフトに固定されたロータと、を備えてなるブラシレスモータであって、
   前記ロータは、磁性材料にて形成されたロータコアと、前記ロータコア内に周方向に沿って等間隔に配置された複数個のマグネット取付孔と、前記マグネット取付孔に収容固定された複数個のマグネットと、を有し、
   前記ロータコアは、前記マグネットが配置された磁極部と、隣接する前記磁極部の間に設けられたブリッジ部と、前記磁極部の周方向両端に形成され前記磁極部と前記ブリッジ部の間に設けられた切欠部と、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、
   前記ブリッジ部は、前記マグネット取付孔の周方向端部に設けられ前記ロータコアの外周縁と前記マグネット取付孔の外周縁との間に形成される外縁架橋部と、隣接する前記マグネット取付孔間に形成された隔壁部と、を有し、
   前記切欠部は、前記磁極部の前記マグネットよりも外側に形成された磁極外周部と前記外縁架橋部との間に形成され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、前記磁極外周部の両端には、前記切欠部により、前記外縁架橋部と接続され該外縁架橋部と略同一幅に形成された回廊部が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３記載のブラシレスモータにおいて、前記外縁架橋部と前記回廊部と前記隔壁部の板幅をｃ、前記ロータコアの板厚をｔとしたとき１.０ｔ≦ｃ＜１.２ｔであることを特徴とするブラシレスモータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、前記磁極部の周方向両端に形成された前記切欠部の周方向の幅Ｗａは、前記マグネットの周方向の幅Ｗｍの０.９倍よりも大きい（Ｗａ＞０.９Ｗｍ）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、前記磁極部の前記マグネットよりも外側に形成された磁極外周部に、前記ロータの中心と前記磁極部の中心とを結んだ径方向の線分に対して平行に延びる複数のスリットを等間隔にて設けたことを特徴とするブラシレスモータ。

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