JP2014107939A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータ、特にスポーク型のＩＰＭモータにおいて、コギングトルクやトルクリップルを増大させることなく、ロータのイナーシャを低減させる。
【解決手段】１０極１２スロット構成のスポーク型ＩＰＭモータであるブラシレスモータ１にて、ロータ３の隣接するマグネット３４の間に疑似磁極部３６を形成し、疑似磁極部３６の内周側に質量軽減孔３８を設ける。質量軽減孔３８は、所定の領域Ｘ内に配置される。領域Ｘは、隣接するマグネット３４間の中心角の１／４の角度幅で疑似磁極部３６の中央部に位置し、マグネット３４の径方向内側の端面３４ａからマグネット３４の径方向長さＬの１／４よりも外周側であって、ロータ３の中心Ｏを中心点として隣接するマグネット３４の外径側端部３４ｂ同士を結ぶ円弧Ｐ２より径方向内側の領域に設定される。
【選択図】図２

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）におけるロータのイナーシャ低減技術に関する。

近年、ロータ内部にマグネットを埋め込み、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７は、このようなＩＰＭモータの構成を示す説明図である。図７のＩＰＭモータは、ロータの各極の中央の擬似磁極部と、その両側に放射状に配置された極数と同数のマグネットを有する所謂スポーク型と呼ばれるものであり、ロータコア５１には、径方向に沿って複数個のマグネット取付孔５２が放射状に設けられている。各マグネット取付孔５２にはそれぞれ、直方体状のマグネット５３が収容固定されている。マグネット５３は、対向する面が同極性となっており、各磁極からの磁束が互いに反発して周方向外側に向かいｄ軸方向の磁路が形成される。マグネット５３の径方向内側（中心寄り）には、マグネット取付孔５２の空隙部５４が形成されている。この空隙部５４により、マグネット中心側の磁束漏れ（自極磁束のショートカット）が抑えられる。従って、空隙部５４が大きいほど磁束漏れを少なくでき、その分、トルクの増大が図られる。

このように、スポーク型のＩＰＭモータでは、対向磁極の反発する磁束を用いてトルクを得るため、マグネット間の距離は小さい方が反発力が強まり好ましい。また、コギングトルクやトルクリップルを小さく抑えるためには、最小公倍数が小さい方が有利となる。このため、スポーク型ＩＰＭモータとしては、図７のような、ロータコアの磁極数が１０、ステータ側のスロット数（極数)が１２の１０極１２スロット構成のものが多く見受けられる。

一方、ロータコア５１は、電磁鋼板にて形成されたコアプレートを複数枚積層させた構成となっており、中央の軸孔５５にロータシャフト５６が圧入固定される。ロータコア５１には、ロータシャフト５６との結合のため、マグネット取付孔３３の中心側の部位にブリッジ５７が設けられている。ブリッジ５７は、ロータシャフト５６との結合やコアプレートのプレス加工を考慮すると、その幅寸法（径方向）をコアプレートの板厚以上に設定する必要がある。

国際公開WO2008-078584号公報

ところが、このようなスポーク型のＩＰＭモータでは、隣接するマグネット５３の中間部分は、ロータの磁束が通らない部分であるにもかかわらず、磁性体（鋼板）が用いられている。このため、必要以上にロータの質量が大きく、その分、ロータのイナーシャも大きくなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、ブラシレスモータ、特にスポーク型のＩＰＭモータにおいて、コギングトルクやトルクリップルを増大させることなく、ロータのイナーシャを低減させることにある。

本発明のブラシレスモータは、径方向内側に向けて突出する１２個のティースと、該ティース間に形成されたスロットを介して前記ティースに巻装されたコイルと、を備えるステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され、その内部に１０極、または１４極を構成するマグネットが放射状に収容固定されてなるロータと、を有する１０極１２スロット、または１４極１２スロット構成のブラシレスモータであって、前記ロータは、隣接する前記マグネットの間に形成される複数個の疑似磁極部と、該疑似磁極部の内周側に形成された磁気抵抗部と、を有し、前記磁気抵抗部は、隣接する前記マグネット間の中心角の１／４の角度幅で前記疑似磁極部の中央部に位置し、前記マグネットの径方向内側の端面から前記マグネットの径方向長さの１／４よりも外周側であって、前記ロータの中心を中心点として隣接する前記マグネットの外径側端部同士を結ぶ円弧の内径側の領域にそれぞれ配置されることを特徴とする。

本発明にあっては、前記磁気抵抗部を磁束が通らない前述のような領域に配することにより、モータ性能の低下を招くことなく、例えば、質量軽減孔やコアプレート積層用ボスなどの磁気抵抗部をロータに形成することが可能となる。これにより、例えば、質量軽減孔を設けることにより、ロータコアの質量を軽減でき、コギングトルクやトルクリップルを増大させることなく、ロータのイナーシャを低減させることが可能となる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記磁気抵抗部が前記ロータに形成された質量軽減孔であっても良い。また、前記磁気抵抗部がロータコアを形成するコアプレートを積層するためのボスであっても良い。

さらに、前記ロータの外周に突出する複数の突極にて前記疑似磁極部を構成し、該突極の外形を、前記ロータの中心とは偏心した位置を中心点とする円弧によって形成しても良い。これにより、イナーシャ低減しつつ、モータのリラクタンストルクを有効に活用できる。加えて、前記ロータに形成されたマグネット収容孔内に前記マグネットを固定すると共に、前記マグネット収容孔を、その径方向外側が開放されたスリット状に形成しても良く、これにより、さらにイナーシャを低減できるとともに、加工や組み立てが容易となる。この場合、前記マグネット収容孔の径方向内側を、隣接する前記疑似磁極部同士を接続するブリッジ部にて閉鎖し、前記ブリッジ部を前記疑似磁極部と一体的に形成するようにしても良く、これにより、加工や組み立てがさらに容易となる。

本発明のブラシレスモータによれば、１０極１２スロット、または１４極１２スロット構成のブラシレスモータにて、磁気抵抗部を所定の領域に配することにより、モータ性能の低下を招くことなく、例えば、質量軽減孔やコアプレート積層用ボスなどの磁気抵抗部をロータに形成することが可能となる。これにより、例えば、質量軽減孔を設けることにより、ロータコアの質量を軽減でき、コギングトルクやトルクリップルを増大させることなく、ロータのイナーシャを低減させることが可能となる。

本発明の実施の形態１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。 質量軽減孔の構成を示す説明図である。 （ａ）は質量軽減孔の有無によるコギングトルクの違い、（ｂ）は同じくトルクリップルの違いを示したグラフである。 本発明の実施の形態２であるブラシレスモータのロータコアの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３であるブラシレスモータのロータコアの構成を示す断面図である。 従来のスポーク型ＩＰＭモータの構成を示す説明図である。

（実施の形態１）
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、本発明の実施の形態１であるブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）の断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。モータ１は、ロータの各極の中央の擬似磁極部と、その両側に放射状に配置された極数と同数のマグネットを有する所謂スポーク型のＩＰＭ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。モータ１は、図１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となっている。

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いる。ステータ２は、ステータコア５と、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、鋼製の板材（例えば、電磁鋼板）を積層して形成されており、複数個（本実施形態においては１２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。隣接するティース９の間にはスロット３１が形成され、その中にはコイル６が収容されている。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の外側にコイル６が巻装されている。これにより、本ステータ２は１２極（１２スロット）構成となっている。

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。

モータ１においても、ロータコア１５は、磁性体にて形成された薄板状のコアプレート（鋼板材）を複数枚積層させた構成となっており、その外形は円形ではなく偏芯形状となっている。ロータコア１５には、軸孔３２と、複数個のマグネット取付孔３３が設けられている。軸孔３２はロータコア１５の中心部に形成されており、そこにはロータシャフト１３が圧入固定される。マグネット取付孔３３は、径方向に沿って延びる長方形状のスリットであり、１０個が放射状に配置されている。各マグネット取付孔３３内には直方体状のマグネット３４がそれぞれ収容され、接着剤等の固定手段にて固定されている。隣接するマグネット３４は、対向する面が同極性となっている。この場合、マグネット取付孔３３がスリット状となっているため、コアプレートの加工も容易であり、マグネット３４の挿入も容易となる。

各マグネット取付孔３３は外周側（径方向外側）が開放されている一方、その内周側にはブリッジ部３５が形成されている。つまり、マグネット取付孔３３は、ブリッジ部３５にて内周側が閉鎖されている。ロータコア１５では、隣接するマグネット取付孔３３の間は、半径Ｒの外形に形成されている。半径Ｒの中心Ｏ₁は、ロータ３の中心Ｏよりも外径側にずれた位置に偏芯配置されている。半径Ｒの部位、すなわち、隣接するマグネット取付孔３３の間の部分は、対向するマグネット３４からの磁束が反発し合って径方向に流れる疑似磁極部３６となっている。疑似磁極部３６は、上述のようにそれぞれ半径Ｒにて偏芯形成されているため、ロータコア１５の外周は、マグネット取付孔３３部分を谷、疑似磁極部３６部分を山とする凹凸形状となり、疑似磁極部３６はロータコア１５上に突極状に形成される。疑似磁極部３６とブリッジ部３５は、コアプレート上に一体に形成されており、加工性の向上が図られている。また、マグネット３４の径方向内側には、マグネット３４が存在しない空隙部３７が形成されている。

一方、本発明によるモータ１では、ロータコア１５のマグネット取付孔３３の間の擬似磁極部３６に、イナーシャ低減のため、複数の質量軽減孔（磁気抵抗部）３８が設けられている。図３は、質量軽減孔３８の構成を示す説明図である。図２,３に示すように、本実施形態においては、各質量軽減孔３８は円形の貫通孔であり、次のような範囲の領域Ｘ（磁気抵抗部設置領域）内に設けられている。
（ａ）領域内端Ｐ１
マグネット３４の内径側端面３４ａから、マグネット３４の径方向長Ｌの１／４より径方向外側。この１／４という数値は、マグネット長Ｌが異なる場合でも同様の値を適用できる。
（ｂ）領域外端Ｐ２
ロータ３の中心Ｏを中心点として、隣接するマグネット３４の外径側端部３４ｂ同士を結ぶ円弧（Ｐ２）より径方向内側。なお、ｄ軸方向の磁気抵抗が大きくなると、弱め界磁の際のｄ軸方向のインダクタンスＬｄが小さくなり、その分、回転数が低下する。このため、当該モータ１では、このＰ２を設定し、疑似磁極部３６の外周部を残すことにより、Ｌｄを確保し、回転数の低下を抑えている。
（ｃ）領域幅Ｑ
隣接するマグネット３４間に形成される疑似磁極部３６の中央であって、隣接するマグネット３４の間の角度の１／４の範囲。１０極１２スロットのモータ１では、隣接するマグネット３４の間の角度は３６°であり、領域幅Ｑは中心角θ＝９°の範囲となる。

発明者の実験によれば、スポーク型のＩＰＭモータでは、上記領域Ｘには磁束はほとんど通っていない。これは、同極同士が対向するマグネット３４では、両マグネットの磁束が反発し合うため、領域Ｘの外側は磁路として使われるが、その内側は反発部となり、領域Ｘ内にはほとんど磁束が入り込まないためと推認される。従って、この部位に空隙やプレート積層用のボスのような磁気抵抗の大きいものを配しても、コギングトルクやトルクリップルなどのモータ性能には影響は生じない。つまり、領域Ｘは、磁気抵抗部を配置するのに最適な部位である。

このように、本発明のモータ１では、スポーク型ＩＰＭモータにおいて磁束がほとんど通っていない領域を見極め、その領域Ｘに磁気抵抗部ともなる質量軽減孔３８を設ける。この場合、質量軽減孔を設ければ当然にロータコアの質量も低減される。しかしながら、ロータコアに孔をあけると、その部分は磁気抵抗が大きくなり、磁束の流れに影響を及ぼし、モータ性能にも影響が生じる。従って、ロータコアに無作為に孔を設けるとモータ性能を損なうおそれがあり、イナーシャ低減に当たっては、単純に適宜孔をあけて質量を軽減させれば良い、というものではない。また、プレート積層用のボスも、延面距離の増加や加工歪み等により磁気抵抗部となるため、その配置も質量軽減孔と同様に単純には決められない。

そこで、本発明者は、スポーク型のＩＰＭモータにおける磁束の流れを解析したところ、磁束がほとんど通っていない部位があることに気付き、その部位が前述の領域Ｘの範囲となることが分かった。そして、その領域に質量軽減孔３８を設けてモータ性能を確認したところ、図４に示すように、質量軽減孔３８の有無により、コギングトルクやトルクリップルにほとんど差異は生じなかった。また、上述の領域内端Ｐ１も、マグネット長Ｌを異ならせて解析を行ったところ、何れも１／４なる数値が好適であることが分かった。

従って、本発明によれば、モータ性能の低下を招くことなく、ロータコア１５の質量を軽減でき、ロータ３のイナーシャを低減させることが可能となる。すなわち、イナーシャ低減しつつ、モータのリラクタンストルクを有効に活用することが可能となる。また、この領域Ｘ内にプレート積層用のボスを形成することにより、モータ性能の低下を招くことなく、ボス等の磁気抵抗部を形成することも可能となる。

本発明は前記実施形態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、前記実施形態では、ロータコア１５の外形が偏芯形状となったものを示したが、本発明は、偏芯のない外形が円形のロータコアを有するブラシレスモータにも適用可能である。また、前記実施形態では、マグネット取付孔３３の外周側を開放させた構成を示したが、図５に示すようにマグネット取付孔３３の外周側にもブリッジ部３９を設けても良い（実施の形態２）。これにより、イナーシャの更なる低減が図られると共に、加工・組み立ても容易となる。さらに、前記実施形態では、１０極１２スロットのブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、本発明は、図６のような１４極１２スロット構成のブラシレスモータにも適用可能である（実施の形態３）。なお、図５,７では、実施の形態１と同様の部材、部分については同一の符号を使用し、その説明は省略する。

加えて、前記実施の形態においては、各マグネット取付孔３３は外周側（径方向外側）が開放されている一方、その内周側にはブリッジ部３５が形成され、マグネット取付孔３３は、ブリッジ部３５にて内周側が閉鎖されているものを示したが、本発明はこれに限定されず、ブリッジ部３５を切り離して各擬似磁極部３６を分割し、分割された各擬似磁極部３６をそれぞれ連結手段により連結してロータコア１５とする構造にも適用可能である。また、本発明によるブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置以外にも、ハイブリッド車や電気自動車などの他の電気機械・機器にも適用可能である。

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
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
３１ スロット
３２ 軸孔
３３ マグネット取付孔
３４ マグネット
３４ａ 内径側端面
３４ｂ 外径側端部
３５ ブリッジ部
３６ 疑似磁極部
３７ 空隙部
３８ 質量軽減孔（磁気抵抗部）
３９ ブリッジ部
５１ ロータコア
５２ マグネット取付孔
５３ マグネット
５４ 空隙部
５５ 軸孔
５６ ロータシャフト
５７ ブリッジ
Ｏ ロータ中心
Ｏ₁ 疑似磁極部中心
Ｒ 疑似磁極部半径
Ｘ 磁気抵抗部設置領域
Ｌ マグネット長
Ｐ１ 領域Ｘ内端
Ｐ２ 領域Ｘ外端
Ｑ 領域Ｘ幅
θ 領域Ｘの中心角

Claims (6)

1. 径方向内側に向けて突出する１２個のティースと、該ティース間に形成されたスロットを介して前記ティースに巻装されたコイルと、を備えるステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置され、その内部に１０極、または１４極を構成するマグネットが放射状に収容固定されてなるロータと、を有する１０極１２スロット、または１４極１２スロット構成のブラシレスモータであって、
   前記ロータは、隣接する前記マグネットの間に形成される複数個の疑似磁極部と、該疑似磁極部の内周側に形成された磁気抵抗部と、を有し、
   前記磁気抵抗部は、隣接する前記マグネット間の中心角の１／４の角度幅で前記疑似磁極部の中央部に位置し、前記マグネットの径方向内側の端面から前記マグネットの径方向長さの１／４よりも外周側であって、前記ロータの中心を中心点として隣接する前記マグネットの外径側端部同士を結ぶ円弧の内径側の領域にそれぞれ配置され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、
   前記磁気抵抗部は、前記ロータに形成された質量軽減孔であることを特徴とするブラシレスモータ。
3. 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、磁性体にて形成されたコアプレートを積層してなるロータコアを有し、
   前記磁気抵抗部は、前記コアプレート積層用のボスであ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、
   前記疑似磁極部は、前記ロータの外周に突出する複数の突極にて構成され、
   該突極の外形は、前記ロータの中心とは偏心した位置を中心点とする円弧によって形成され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、
   前記マグネットは、前記ロータに形成されたマグネット収容孔内に固定され、
   前記マグネット収容孔は、その径方向外側が開放されたスリット状に形成されてなることを特徴とするブラシレスモータ。
6. 請求項５記載のブラシレスモータにおいて、
   前記マグネット収容孔の径方向内側は、隣接する前記疑似磁極部同士を接続するブリッジ部にて閉鎖され、
   前記ブリッジ部は、前記疑似磁極部と一体的に形成されることを特徴とするブラシレスモータ。

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