JP2015037331A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】マグネット補助型のリラクタンスモータにおいて、低電流域におけるトルクリップルを低減させる。
【解決手段】ブラシレスモータ１は、リラクタンストルクとマグネットトルクとによりロータを回転させるマグネット補助型リラクタンスモータであり、ロータ３は、断面円弧状のＳ極マグネット２６ｓと、Ｎ極マグネット２６ｎを備える。マグネット２６ｓ,２６ｎは、各極３個ずつ層状に設けられ、凸側部位をロータ中心Ｏｒ側に向けた状態でロータコア２４に形成されたスリット２５内に埋設される。スリット２５のうち最外層のスリット２５ｃの端部には、スリット２５ｃの周縁を直線状に形成したテーパ部４３が形成されている。テーパ部４３と中間層のスリット２５ｂとの間は、スリット２５ａ,２５ｂ間を流れる磁束量を制御する磁束制御部４４となっている。
【選択図】図１２

Description

本発明は、ブラシレスモータのロータの構造に関し、特に、ロータ内にマグネットを埋め込み、マグネットの磁力を補助的に使用してロータを回転させるマグネット補助型のリラクタンスモータに関する。

従来より、ブラシレスモータの一種として、ステータ・ロータ間の磁気抵抗差を利用して回転力を発生させるタイプの電動機としてリラクタンスモータが知られている。このようなリラクタンスモータでは、磁気抵抗差によって生じるリラクタンストルクによってロータを回転させる。しかしながら、リラクタンストルクはマグネットによって得られるトルクよりも小さいため、マグネットを用いた同体格のモータに比して、リラクタンスモータは出力トルクが小さくなる傾向がある。このため、リラクタンスモータにて所望のトルクを得るには、モータ体格を大きくなってしまうという問題がある。

そこで、近年、基本構成はリラクタンスモータとしつつ、ロータにマグネットを配したマグネット補助型のリラクタンスモータが提案されている。例えば特許文献１,２には、このようなマグネット補助型のリラクタンスモータが記載されており、リラクタンスモータのロータ内にマグネットを埋設した構成が示されている。これらの特許文献のモータでは、ロータの半径方向に、円弧状に形成されたマグネットが１極当たり２層以上の多層に配されている。各マグネットは、ロータ中心方向に向かって凸型となるよう配置されている。そしてこれにより、リラクタンスモータにおいてマグネットの磁力を補助的に利用し、リラクタンストルクとマグネットトルクの両者によってロータを回転させている。

特開平11-275783号公報 特開平10-271722号公報

ところが、このようなマグネット補助型のリラクタンスモータでは、図１９に示すように、最大トルク制御や回転数最大制御を行った場合、低電流域にてトルクリップル率が大きくなる傾向がある。その場合、例えば、当該モータを電動パワーステアリング装置（以下、適宜ＥＰＳと略記する）の駆動源として用いると、ＥＰＳ用モータに求められるトルクリップル率の上限要件に対して余裕が少なくなってしまう、という問題があった。ＥＰＳ用モータでは、トルクリップルが大きくなると、運転者の操舵感が損なわれるおそれがあり、上限値に対し余裕のあるマグネット補助型リラクタンスモータの開発が求められていた。

本発明の目的は、ブラシレスモータのトルクリップルを低減させることにあり、特に、マグネット補助型リラクタンスモータに対し最大トルク制御や回転数最大制御を行った場合における低電流域でのトルクリップル率を低減することにある。

本発明のブラシレスモータは、複数相の巻線を備えたステータと、前記ステータ内に回転自在に配置され、その内部に複数個のマグネットが埋設されたロータコアを備えたロータと、を有し、前記複数個のマグネットの各磁極がつくる磁束の方向をｄ軸とし、それと磁気的に直交する軸をｑ軸に設定し、前記ロータに前記ｄ軸と前記ｑ軸とが周方向に交互に複数個設けられ、前記ｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗差によって発生するリラクタンストルクと、前記マグネットによって発生するマグネットトルクとにより前記ロータを回転させるブラシレスモータであって、前記ロータは、Ｎ極又はＳ極の何れか一方である第１磁極と、前記第１磁極とは異なる極性の第２磁極とを有し、前記複数個のマグネットは、前記第１磁極を形成する断面円弧状のマグネットと、前記第２磁極を形成する断面円弧状のマグネットとからなり、前記第１及び第２磁極を形成する各マグネットは、その凸側部位をそれぞれ前記ロータの中心側に向けた状態で、前記ロータコアに形成されたマグネット装着孔内に収容され、前記マグネット装着孔は、前記ロータの外側に設定された同一の中心点を中心として同心状に複数個形成されると共に、前記第１及び第２磁極内に径方向に層を為して配設され、最外層に配された前記マグネット装着孔は、その端部に、該磁極内の前記マグネット装着孔間を流れる磁束量を制御する磁束制御部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、最外層の前記マグネット装着孔の長手方向端部に、該マグネット装着孔の周縁を直線状に形成したテーパ部を設け、前記テーパ部と、前記最外層のマグネット装着孔の内側に隣接して配置された他の前記マグネット装着孔との間に前記磁束制御部を形成しても良い。また、前記第１及び第２磁極のうち、最も大きな半径の前記マグネット装着孔を有する磁極の最外層の前記マグネット装着孔に前記テーパ部を形成しても良い。

前記テーパ部の基点を、最外層の前記マグネット装着孔に収容された前記マグネットの極弧角αと、最外層の前記マグネット装着孔の開口角βとの間に配しても良い。また、前記テーパ部に沿った線Ａと、最外層の前記マグネット装着孔に収容された前記マグネットの端部位置の線Ｂが為すテーパ角θｔを、０°よりも大きく、９０°未満（０°＜θｔ＜９０°）、好ましくは６８°〜７２°、より好ましくは７０°に設定しても良い。

前記マグネット装着孔を、前記第１及び第２磁極に関わらず、径方向に沿って同じ層では同じ半径に形成し、同層のマグネット装着孔には同じマグネットが収容されるようにしても良い。

さらに、前記ブラシレスモータは、例えば、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用することも可能である。

本発明のブラシレスモータは、マグネットの磁力を補助的に利用してロータを回転させるマグネット補助型のリラクタンスモータにて、ロータコア内に層状に形成されたマグネット装着孔のうち最外層のマグネット装着孔の端部に、マグネット装着孔間を流れる磁束量を制御する磁束制御部を設けたので、当該モータにおけるトルクリップル率、特に低電流域におけるトルクリップル率を低減させることが可能となる。これにより、例えば、当該ブラシレスモータを電動パワーステアリングの駆動源として使用した場合、トルクリップル率の許容上限値に対して余裕を持つことが可能となる。

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。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ロータの構成を示す説明図である。 各極の最内層マグネット−中心線間の距離とトルクリップルとの関係を、マグネット−中心線間の距離の組み合わせについてモードフロンティアを用いて解析したものの傾向をそれぞれの極について示したグラフである。 マグネット中心距離Ｒｓ,Ｒｎの比とトルクリップルとの関係を示すグラフである。 各極の最も内側のマグネットとロータの中心Ｏｒとの間の距離（最短距離）Ｌｓ,Ｌｎの組み合わせについてモードフロンティアを用いて解析したものの傾向をそれぞれの極について示したグラフである。 （ａ）は、本発明による設定(a)〜(c)によりマグネットを非対称配置とした場合の出力トルク、（ｂ）は、従来通りにマグネットを対称に配置した場合の出力トルクを示した説明図である。 （ａ）は、本発明による設定(a)〜(c)によりマグネットを非対称配置とした場合のリラクタンストルク、（ｂ）は、従来通りにマグネットを対称に配置した場合のリラクタンストルクを示した説明図である。 （ａ）は、本発明による設定(a)〜(c)によりマグネットを非対称配置とした場合の誘起電圧波形、（ｂ）は、従来通りにマグネットを対称に配置した場合の誘起電圧波形を示した説明図である。 ロータの偏心構成を示す説明図である。 （ａ）は、ロータ外周を偏心させた場合のトルク波形、（ｂ）は、ロータ外周を偏心させない場合のトルク波形を示した説明図である。 磁束制御部の構成を示す説明図である。 （ａ）は、各層のスリットにテーパ部を設けた各種組み合わせ、（ｂ）は、各組み合わせにおけるトルクリップル率を比較して示したグラフである。 従来仕様の場合と、最内層と中間層にテーパ部を設けた場合、最外層のみにテーパ部を設けた場合のそれぞれについて、回転角とトルクの関係を示した説明図である。 従来仕様とテーパ角θｔが６０°,７０°,８０°の場合のトルクリップル率を比較して示したグラフである。 従来仕様の場合と、テーパ角θｔが６０°,７０°,８０°の場合のそれぞれについて、回転角とトルクの関係を示した説明図である。 本発明によるマグネット補助型のリラクタンスモータにおいて、最大トルク制御や回転数最大制御を行った場合のトルクリップル率を示す説明図である。 マグネットとしてボンドマグネットを用いた場合のロータ製造装置の構成を示す説明図である。 従来のマグネット補助型のリラクタンスモータにおいて、最大トルク制御や回転数最大制御を行った場合のトルクリップル率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、リラクタンスモータをベースとしつつ、ロータにマグネットを配することにより、マグネットの磁力を補助的に利用したマグネット補助型のリラクタン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。モータ１は、図１に示すように、通常のリラクタンスモータと同様に、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に取り付けられコイル６が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。モータケース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が取り付けられている。ステータコア５は、コイル６を巻装した後、モータケース４の内周面に圧入固定される。モータ１は、外側部材であるステータ２にコイル６を配したいわゆるアウター巻線を採用しており、内側部材にコイルを巻装する構成よりも巻線の占積率を大きくでき、モータの出力向上が図られる。

図２に示すように、ステータコア５は、円筒状のアウタステータ１１と、アウタステータ１１の内周側に取り付けられるインナーステータ１２とから構成されている。アウタステータ１１とインナーステータ１２はそれぞれ、厚さｔ（ｔ＝０.３５〜０.７０ｍｍ程度）の電磁鋼板を積層して形成されている。インナーステータ１２は、放射状に形成された２４個のティース部１３と、ティース部１３の内周側を連結するブリッジ部１４とから構成されており、隣接するティース部１３の間にはスロット１５が形成される。

このようにモータ１では、ティース部１３の内周側がブリッジ部１４にて連結されているため、通常のモータのように、ティース先端側のスリットを利用してティースにコイルを巻装することができない。そこで、モータ１では、ステータ２をアウタステータ１１とインナーステータ１２に分割すると共に、インナーステータ１２のティース部外周側を開放することにより、ティース部１３に銅線を巻装してコイル６を形成できるようにしている。ティース部１３は、コイル６が分布巻きにて巻装された後、アウタステータ１１の内周側に取り付けられる（嵌合固定）。これにより、スロット１５内にコイル６が収容された形態のステータコア５が形成される。なお、分布巻きは、集中巻に比してブリッジ部１４での磁束の漏洩が少なく、集中巻よりも最大トルクを大きくできるため、当該モータ１ではコイル６を分布巻きにて巻装している。

モータ１では、ティース部１３は２４個設けられており、各ティース部１３は、その外周側がアウタステータ１１の内周面に形成されたティース取付溝（凹部）１６に嵌合固定される。アウタステータ１１側には、断面が逆ハの字形となった蟻溝状のティース取付溝１６が形成されている。このティース取付溝１６は、アウタステータ１１の全長に亘って、軸方向に沿って延設されている。これに対し、ティース部１３の外周端には、外端側が拡大したほぞ状の嵌合部１７が形成されている。アウタステータ１１とインナーステータ１２は、ティース取付溝１６と嵌合部１７を軸方向から挿入嵌合させることにより、径方向・周方向に抜け止めされた状態で固定される。これにより、インナーステータ１２の回転方向への移動が規制され、回転方向の力に対するインナーステータ１２の位置ずれを確実に防止できる。

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２１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２１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２１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、モータケース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２２を有しており、ロータシャフト２２はベアリング２３ａ,２３ｂによって回転自在に支持されている。ベアリング２３ａはモータケース４の底部４ａ中央に、２３ｂ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２２には、円筒形状のロータコア２４と、回転角度検出手段であるレゾルバ３１のロータ（レゾルバロータ）３２が取り付けられている。

モータケース４の底部４ａ外側（図１において右側）には、カバー３３が取り付けられている。ロータシャフト２２は、モータケース４の底部４ａからカバー３３内へと延びており、その先端部にレゾルバロータ３２が取り付けられている。カバー３３内には、制御基板３４,３５が収容されており、制御基板３４にはパワー系素子３６、制御基板３５には制御系素子３７がそれぞれ実装されている。制御基板３５には、レゾルバ３１のロータの外周側に対向してレゾルバステータ３８が取り付けられており、レゾルバステータ３８に設けられた回転角度検出用コイルの信号線が制御系素子３７と電気的に接続されている。

ロータ３を形成するロータコア２４もまた、円板状の電磁鋼板を多数積層して形成されている。ロータコア２４を構成する鋼板には、マグネット装着孔としてスリット２５が複数設けられている。スリット２５は、円弧状に曲がっており、スリット２５内は空間となっている。スリット２５は、磁極がつくる磁束の方向（マグネットの中心軸）をｄ軸とし、それと磁気的に直交する軸（マグネット間の軸）をｑ軸に設定すると、ロータシャフト２２と直交するｑ軸を境界として複数組設けられている。また、スリット２５は、ｄ軸上のロータ３の外周より外側に設定される仮想点（後述する、Ｓ,Ｎ極マグネット２６ｎ,２６ｓの円弧の中心Ｏｓ,Ｏｎ）を中心に円弧状に配置されている。モータ１では、ｄ軸上のロータ３の外周より外側に設定される仮想点を中心とした複数のスリット２５のセットが円弧状に４組設けられており、各組にはそれぞれ複数層の磁路が形成される。なお、この各スリット２５に後述するマグネット２６が埋め込まれた状態で、その端部に、スリット２５とマグネット２６とによって形成される空間は、ロータ３の磁気抵抗を回転方向に沿って異ならせるためのフラックスバリアとして機能するようになっている。

スリット２５内には、複数個のマグネット（永久磁石）２６が埋め込まれている。モータ１では、リラクタンストルクが主、マグネットトルクが補助という位置付けとなっており、マグネット２６としては、安価なフェライトマグネットが使用されている。但し、出力をより増大させるため、マグネット２６にネオジムボンドマグネット等の希土類磁石を用いても良い。

図３は、ロータ３の構成を示す説明図である。図３のロータ３では、複数個のマグネット２６として、外周側がＳ極となったマグネット２６ｓ（２６ｓ１,２６ｓ２）と、外周側がＮ極となったマグネット２６ｎ（２６ｎ１,２６ｎ２）が設けられている。つまり、ロータ３は４極構成となっており、モータ１は４極２４スロット構成（２極１２スロット×２）に形成されている。

一方、本発明によるロータ３には、次のような４つの特徴がある。
（１）各極のマグネット２６は円弧状に形成されており、径方向に沿って３個ずつ設けられ、ロータ３にｄ軸とｑ軸とが周方向に交互に複数個設けられている。これにより、リラクタンストルクを有効利用しつつ、マグネットトルクによるトルク補強が図られる。
（２）Ｓ極のマグネット２６ｓ１,２６ｓ２と、Ｎ極のマグネット２６ｎ１,２６ｎ２は中心線に対して非対称に配置されている。これにより、トルクリップルとコギングの低減が図られる。
（３）ロータ３は、外周が偏心した形状となっている。これにより、トルクリップルの低減が図られる。
（４）Ｓ極領域（マグネット２６ｓ１,２６ｓ２の領域）では、３層のスリット２５ａ〜２５ｃのうち、最外層のスリット２５ｃの端部に直線状のテーパ部４３が設けられている。
以下、これらの各特徴について説明する。

（１）円弧状マグネットの３個配置
まず、前記（１）に関し、ロータ３では、前述のように、磁極がつくる磁束の方向をｄ軸とすると共に、それと磁気的に直交する軸をｑ軸とし、ロータ３に、ｄ軸とｑ軸を複数個設定する。その際、ｄ軸とｑ軸は、周方向に沿って交互に設けられる。ロータ３には、ｑ軸磁束を通りやすくするために円弧のスリット２５が設けられており、そこに円弧状のマグネット２６が埋め込まれている。すなわち、ロータ３は、ｑ軸の磁束が通りやすく、インダクタンスＬｑを大きく取ることができる構造となっている。従って、マグネット２６によるマグネットトルクも大きくでき、フェライトマグネットでも十分なトルクを得ることが可能となる。

この場合、円弧（スリット２５）を多くすることで磁路を増やすことができ、マグネットトルクも強化できるが、そのためには、マグネット２６を薄くしなくてはならない。また、鋼板における磁路幅も小さくなり、磁気飽和しやすくなる。さらに、リラクタンストルクを得るためのＬｄ−Ｌｑ（ＬｄとＬｑの差）は、マグネット２６の数（層数）を３以上としてもあまり変わらない。このため、マグネット２６の数（層数）は３つ程度が現実的であり、ロータ３ではマグネット２６を３層構成としている。

また、各層のスリット２５ａ〜２５ｃは、Ｎ極・Ｓ極を問わず、それぞれ同一半径にて形成されており、各層のマグネット２６ａ（最内層）、２６ｂ（中間層）、２６ｃ（最外層）も同じマグネットが使用されている。つまり、マグネット２６は、２６ａ〜２６ｃの三種類で足り、部品点数の削減も図られている。

（２）マグネット非対称配置
次に、前記（２）に関し、ロータ３では、マグネットの非対称設定によってトルクリップルを低減させている。この場合、ロータ３の非対称設定には次のような特徴がある。
(a) ロータ３の断面を、マグネット２６ｓ（第１磁極）とマグネット２６ｎ（第２磁極）の各ｄ軸を基準として、各ｄ軸が属する領域ごとに等分に分割する。そして、各領域の分割線となるロータ３の直交する中心線Ｍ１,Ｍ２に対して、一方の極（ここではＳ極）の最も内側のマグネット２６ａを、隣の極のゾーン（領域）に跨って配置する。但し、隣接極のマグネットとは干渉せず、ｑ軸の磁路となるスペースは確保されている。これにより、ｑ軸により区分されたマグネット２６ｓの領域のロータ３の中心Ｏｒを中心とした角度θ１は、マグネット２６ｎの領域のロータ３の中心Ｏｒを中心とした角度θ２より大きく設定されている（θ１＞θ２）。
(b)マグネット２６は、Ｓ極とＮ極とで中心位置がずれている。つまり、Ｓ,Ｎ極マグネット２６ｎ,２６ｓの円弧の中心Ｏｓ（第１中心点）,Ｏｎ（第２中心点）と、ロータ３の中心Ｏｒとの間の各距離（マグネット中心距離）Ｒｓ（Ｒ_１）,Ｒｎ（Ｒ_２）が異なる（Ｒｓ≠Ｒｎ）。
(c) 各極の最も内側のマグネット２６ａとロータ３の中心Ｏｒとの間の距離（最短距離）Ｌｓ（Ｌ_１）,Ｌｎ（Ｌ_２）が、Ｓ極とＮ極とで異なる（Ｌｓ≠Ｌｎ）。

(a) マグネットのラップについて
図３に示すように、ロータ３には、マグネット２６ｓ（第１磁極）とマグネット２６ｎ（第２磁極）の各ｄ軸を基準として、その断面を各ｄ軸が属する領域ごとに等分に分割した４つの領域、すなわち、中心線Ｍ１,Ｍ２によって区画された４つの極ゾーンＳ１,Ｎ１,Ｓ２,Ｎ２が存在する。本発明のロータ３では、最内層（最もロータ中心Ｏｒに近い層）のＳ極マグネット２６ｓの外周部４１が、極ゾーンＳ１,Ｓ２から、隣接する他極の極ゾーンＮ１,Ｎ２側へはみ出している。なお、隣接ゾーン側の領域に跨るマグネットは、Ｓ極のものでもＮ極のものでも良く、ここでは、Ｓ極のマグネット２６ｓがＮ極のゾーンにラップしている（跨る）場合を示している。隣接ゾーンへのラップ代は、これが大きいほどトルクリップルを低減できるが、隣接極と干渉しないように、Ｓ極マグネット２６ｓと、これと隣り合うＮ極マグネット２６ｎと間にはスペース４２が設けられている。

図４は、各極の最内層マグネット２６ａと中心線Ｍ１,Ｍ２との距離と、トルクリップルとの関係を、マグネット−中心線間の距離の組み合わせについてモードフロンティア（多目的ロバスト設計最適化支援ツール：商品名）を用いて解析したものの傾向をそれぞれの極について示したグラフである。なお、図４の横軸において、マイナスの値は隣接極ゾーンにラップしている状態を示している。図４から分かるように、Ｓ極はラップさせるとリップルが低減するが、Ｎ極は中心線からある程度距離がある方がリップルが小さくなる。一方、Ｓ極とＮ極が干渉するとＳ極のリップルが増大し（Ｓ極はみ出し設定の場合）、極間距離が近すぎるとトルクが低下する。従って、ロータ３では、Ｓ極マグネット２６ｓをＮ極ゾーンにラップさせつつも、Ｎ極マグネット２６ｎと間に電磁鋼板の板厚（０.３５〜０.７０ｍｍ程度）の２倍程度（例えば、１.２ｍｍ）のスペース４２を設けている。

(b) 極の中心位置のずれについて
図５は、マグネット中心距離Ｒｓ,Ｒｎの比とトルクリップルとの関係を示すグラフである。図５から分かるように、Ｒｓ／Ｒｎが大きくなるとトルクリップルは増大する。従って、Ｒｓ／Ｒｎは小さいほどトルクリップルは減少する。しかしながら、Ｒｓ／Ｒｎが０.９２よりも小さくなると、Ｓ極マグネット２６ｓとＮ極マグネット２６ｎが干渉する。従って、トルクリップル低減のためには、Ｒｓ／Ｒｎを０.９２に設定するのが最適である。

(c) マグネットの配置ずれについて
図６は、前述の距離Ｌｓ,Ｌｎの組み合わせについてモードフロンティアを用いて解析したものの傾向をそれぞれの極について示したグラフである。図６に示すように、Ｌｓは７，Ｌｎは９にて極小値を示している。従って、この結果から、Ｌｎ,Ｌｓについては、Ｌｓ：Ｌｎ＝７：９となる位置に各極の最内層マグネット２６ａを配置すれば良いことが分かる。

一方、モータ１の出力トルクは、リラクタンストルクとマグネットトルクの合成トルクとなるが、対称ロータの場合、Ｌｄ−Ｌｑの変動により、リラクタンストルクのリップルが大きくなってしまう。そこで、本発明によるモータ１では、ロータを非対称とすることで、図３のＡ部（Ｓ極ゾーンＳ１,Ｓ２）で発生するリラクタンストルクと、Ｂ部（Ｎ極ゾーンＮ１,Ｎ２）で発生するリラクタンストルクが相殺され、トルクリップルが低減される。

図７（ａ）は、前述の(a)〜(c)の設定によりマグネットを非対称に配置した場合の出力トルク、同（ｂ）は、従来通りにマグネットを対称に配置した場合の出力トルクを示した説明図である。なお、図中における、Ｔｍはマグネットトルク、Ｔｒはリラクタンストルク、ＴｔはＴｍとＴｒを合成した出力トルク（トータルトルク）である。図７（ａ）に示すように、マグネットを非対称に配置すると、同（ｂ）の場合に比して、トルクリップルが大幅に抑えられていることが分かる。この場合、リラクタンストルクに関するリップルについては、図８（ａ）に示すように、Ａ部とＢ部のリラクタンストルクＴｒ(A),Ｔｒ(B)が相殺し合う。これにより、全体のリラクタンストルクＴｒ(合成)は、図８（ｂ）に示した対称構成の場合に比して、大幅に低減される。

また、マグネットトルクについても、対称ロータでは、磁束に高調波成分が乗るため誘起電圧波形が歪み、トルクリップルが大きくなってしまう。これに対し、ロータを非対称とすると、高調波成分が相殺され、誘起電圧波形が正弦波化され、マグネットトルクのトルクリップルも低減される。前述のように、スキューにより誘起電圧を正弦波化してトルクリップルを低減させる方法もあるが、この場合、スキューによってトルクが低下してしまう。本発明のようなロータ非対称構成では、トルク低下は招来しないため、スキューに比して効果的にトルクリップルの低減を図ることが可能となる。

図９（ａ）は、前述の(a)〜(c)の設定によりマグネットを非対称に配置した場合の誘起電圧波形、同（ｂ）は、従来通りにマグネットを対称に配置した場合の誘起電圧波形を示した説明図である。図９（ｂ）に示すように、マグネットを対称に配置すると、誘起電圧波形に歪みが生じるが、マグネットを非対称に配置すると、同（ａ）のように、それが正弦波化されていることが分かる。

（３）ロータ偏心
さらに、前記（３）に関し、ロータ３では、外周の偏心設定によってトルクリップルを低減させている。図１０は、ロータ３の偏心構成を示す説明図である。なお、図１０では、ロータ３が偏心している状態を明確に示すため、ロータ外形を誇張して示している。また、前述のように、隣接ゾーン側の領域に跨るマグネットは、Ｓ極のものでもＮ極のものでも良いことから、図１０では、図３とは逆にＮ極のマグネット２６ｎがＳ極のゾーンにラップしている構成を例示している。

図１０に示すように、ロータ３の外周は、点Ｏｒを中心とする一様の円周ではなく、４つの極ゾーンＳ１,Ｓ２,Ｎ１,Ｎ２ごとに異なる点を中心とした半径の円弧にて形成されており、それらが各極ゾーンの境界点Ｐにて接続された形となっている。すなわち、各極ゾーンの外周は、ロータ中心Ｏｒから径方向外側にそれぞれ偏心距離Ｌecだけ離れた偏心点Ｏecを中心とする半径Ｒecの円弧にて形成されている。偏心点Ｏecは、中心線Ｍ１,Ｍ２に対して４５°傾斜した線分上に配置されている。また、半径Ｒecは、ロータ３の最外周位置Ｑとロータ中心Ｏｒとの間の距離Ｒmaxよりも小さくなっている。

このようにロータ３の外周を偏心させると、誘起電圧波形の高調波成分をより低減させることができ、これにより、更なるトルクリップルの低減が図られる。また、ロータ偏心により、ロータ回転に伴う磁束変化を緩やかにすることができ、マグネットトルクの変動を低減させることができ、この点からトルクリップルの低減が図られる。図１１（ａ）は、ロータ外周を偏心させた場合のトルク波形、同（ｂ）は、ロータ外周を偏心させない場合のトルク波形を示した説明図である。

図１１に示すように、ロータ３を偏心設定すると、トルクリップル、特に、マグネットトルクＴｍのトルクリップルが抑えられ、出力トルクＴｔのリップルも低減される。また、発明者らの実験によれば、「非対称・偏心なし」の設定の場合でも「対称・偏心なし」に比して大幅にトルクリップルが抑えられるが（トルクリップル率：８％→５％に低下）、さらに「非対称・偏心あり」の設定とすることにより、トルクリップルをより低減させることが可能となる（トルクリップル率３.７％程度まで低下）。一般に、ＥＰＳ用モータではトルクリップルが５％未満に抑えることが好ましい。「非対称・偏心なし」の設定の場合もこの基準は概ねクリアするが、リラクタンストルクとマグネットトルクのリップルを共に低減させ、全体のトルクリップルを確実に５％未満に抑えるためには、ロータの外周を偏心させることが望ましい。

（４）テーパ部
上述の（１）〜（３）の構成により、ＥＰＳ用モータのトルクリップル率上限値（５％）をクリアするが、前述のように、最大トルク制御や回転数最大制御を行った場合、低電流域での余裕が少ない傾向がある。そこで、当該モータ１では、ロータ３の最外層スリット２５ｃの周縁端部に直線状のテーパ部４３を設け、スリット端部に磁束制御部４４を形成することにより、スリット２５ａ,２５ｂ間を流れる磁束量を制御し、トルクリップル率の更なる低減を図っている。

図１２は、磁束制御部４４の構成を示す説明図である。図１２に示すように、ロータコア２４では、最外層のスリット２５ｃの両端部に、スリット２５ｃの周縁を直線状に形成したテーパ部４３が設けられている。モータ１では、磁束制御部４４は、テーパ部４３と、中間層のスリット２５ｂとの間に形成されている。テーパ部４３は、最外層のマグネット２６ｃの極弧角αと、スリット２５ｃの開口角βとの間に設けられている。すなわち、両テーパ部４３の基点Ｋが為す角θｋは、α≦θｋ＜βとなっている。なお、図１２では、θｋ＝αとなっている。また、テーパ部４３に沿った線Ａと、マグネット２６ｃの端部位置の線Ｂが為すテーパ角θｔは、０°よりも大きく、９０°未満（０°＜θｔ＜９０°）に形成されている。発明者らの実験によれば、θｔは６０°〜７５°程度、好ましくは、６８°〜７２°程度が適当であり、本実施形態ではθｔ＝７０°を採用している。

モータ１は、ＥＰＳ用のため正逆転を行う仕様となっており、正逆転をバランス良く行うべく、スリット２５ｃ両端の各テーパ部４３は、中心線Ｏｔに対して対称に配置されている。すなわち、両テーパ部４３間の基点角θｋは、中心線Ｏｔにて等分に振り分けられる。また、両テーパ部４３の各テーパ角θｔは、互いに等しい値となっている。なお、一方向のみ回転するモータでは、スリット２５ｃの両端部にテーパ部４３を設け磁束制御部４４を形成する必要はなく、回転方向に応じて片側のみにテーパ部４３を設けても良い。その場合、テーパ部４３の基点Ｋは、前述同様、極弧角αと開口角βとの間に配されるが、テーパ部４３が片方のみのため、基点角θｋは０となる。

一方、このようなテーパ部４３は、最外層のスリット２５ｃのみならず、最内層や中間層のスリット２５ａ,２５ｂに設ける構成も想定し得る。図１３は、各層のスリット２５にテーパ部を設けた各種組み合わせと（同図（ａ））、各組み合わせにおけるトルクリップル率を比較して示したグラフ（同図（ｂ））である。図１３に示すように、最内層のスリット２５ａにテーパ部を設けた場合（No.1〜No.4)は総じてトルクリップル率が高く、従来の仕様（No.8）よりも却ってトルクリップルが大きくなった。また、中間層のスリット２５ｂにテーパ部を設けた場合（No.1,2,5,6)は、トルクリップル低減効果が見られるものもあったが（No.5）、最外層のテーパ部による効果が伺われ、従来仕様を大きく上回る成果は得られなかった。これに対し、最外層のスリット２５ｃのみにテーパ部を設けた場合（No.7)は、最大トルク制御・回転数最大制御の何れにおいても、トルクリップル低減効果が大きく、従来仕様よりもトルクリップル率を抑えることができた。

図１４は、従来仕様（テーパ部無し）の場合と、最内層と中間層にテーパ部を設けた場合、最外層のみにテーパ部を設けた場合のそれぞれについて、回転角とトルクの関係を示した説明図である。この場合、図１４（ａ）は、各部位におけるトルクを示しており、図中のＴＰは、テーパ部４３を設けた部位（マグネットオーバーラップ側：図１０のＮ極側）、同じくＮＴは、テーパ部４３を設けない部位（図１０のＳ極側）におけるトルク変動をそれぞれ示している。また、同図（ｂ）は、テーパ部４３を設けた部位におけるトルクをリラクタンストルクＴｒとマグネットトルクＴｍに分離し、それぞれのトルク変動を示している。

図１４（ａ）にて、ＴＰ部でのトルクがピークとなる位置を見ると、最内層と中間層にテーパ部を設けた場合では、ＴＰ部とＮＴ部でトルクを増幅する形となる。これに対し、最外層のみにテーパ部を設けた場合は、ＴＰ部とＮＴ部でトルクを相殺する形となる。さらに、図１４（ｂ）を見ると、Ｔｒの位相がそれぞれの場合で大きく変化しており、図１４（ａ）におけるトルク波形の変化は、主にＴｒの位相変化によるところが大きいことが分かる。すなわち、テーパ部４３を設け磁束制御部４４を形成することにより、ＴＰ部における磁束密度分布が変化し、それに伴い、Ｔｒの位相も変化する。その結果、ＴＰ部とＮＴ部でトルクの山を相殺することができ、トルクリップルの低減が図られる。

次に、テーパ角θｔについては、最外層のスリット２５ｃにテーパ部４３を設けた場合、θｔが６０°〜７５°程度、好ましくは、６８°〜７２°とした場合、従来仕様よりもトルクリップル率が低減した。図１５は、発明者らの実験結果を示すグラフであり、ここでは、従来仕様とθｔが６０°,７０°,８０°の場合を比較して示している（（ａ）は最大トルク制御、（ｂ）は回転数最大制御）。図１５から分かるように、最大トルク制御や回転数最大制御において、低電流域から高電流域まで、θｔが７０°の場合が最もバランス良くトルクリップル率が低くなっている。これを前述同様にＴＰ部とＮＴ部のトルク変化で見ると、図１６（ａ）に示すように、ＴＰ部の最大トルク回転角が、θｔ＝７０°,６０°では、従来仕様の１０°から１６°にシフトしている。また、図１６（ｂ）から、θｔを７０°や６０°とすることにより、Ｔｍのピークトルクが増大していることが分かる。このピークトルクの変化に伴い、ＴＰ部の最大トルク回転角がシフトし、ＴＰ部とＮＴ部でトルクの山が相殺される。従って、θｔを６０°〜７５°程度とすることにより、トルクリップルの低減が図られる。

このように、本発明によるモータ１では、前述の（１）〜（３）によるロータ非対称設定と、（４）のテーパ部４３により、トルクリップルを低減させることが可能となる。図１７は、前述のような（１）〜（４）を組み合わせた設定のロータを用いた場合と、（１）〜（４）を施さずに従来通りに設定した場合のロータを用いた場合における、トルクリップル率を比較して示した説明図である。図１７に示すように、本発明による設定の場合、最大トルク制御と回転数最大制御の何れにおいても、低電流域のトルクリップルが低減されており、従来設定に対し、上限値に対する余裕を大きく持つことが可能となる。

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、マグネット２６を３層に配置する方法も前述の構成には限定されない。すなわち、各層のマグネットの半径を同じ値とし、各半径の中心点を異なる位置に配置する形など、マグネット２６ａを、他極マグネットと干渉することなく、隣の極のゾーンにラップさせることができる構成であれば、どのような配置方法を採用しても良い。

さらに、モータ１では、マグネット２６として断面円弧状のマグネットを使用した例を示したが、断面が等脚台形の三辺（上底と両斜辺）形状となったマグネットを使用しても良い。なお、マグネット２６は、前述のように３個配置がバランス的に良好であるが、その個数は３個には限定されず、例えば、２個や４個でも良い。

加えて、マグネット２６として、ボンドマグネットや焼結マグネットを用いることも可能である。マグネット２６にボンドマグネットを用いる場合、スリット２５内には、溶融された磁性成形材料をが注入され、これを冷却することにより、スリット２５内にボンド磁性体が成形される。その際、磁性成形材料の分子配向を揃えるべく、図１８に示すようなロータ製造装置５１内にロータコア２４を収容し、スリット２５内に磁性成形材料を注入する。ロータ製造装置５１は、周方向に界磁マグネット５２と磁性コア５３を交互に配置した界磁手段５４を備えた構成となっている。そこでは、周方向で隣接する界磁マグネット５２から発生する磁束は、各界磁マグネット５２間に位置する磁性コア５３に集中した後、径方向の内側に向けて延びる。このため、ロータ収容部５５内に高磁束の磁場を発生させることができ、磁性材料の分子配向を揃えるために必要な１（Ｔ）程度の磁場をロータコア２４の径方向内側付近の領域Ｘに発生させることが可能となる。

従って、界磁手段５４内に収容されるロータコア２４に対して径方向の全体に亘って磁場を印加することができ、各スリット２５内にボンド磁性体の磁性成形材料を注入する際に、ボンド磁性体の配向を径方向全体に亘って揃えることができる。これにより、配向後、ボンド磁性体を着磁した場合に、所望の磁力が付与されたマグネット２６を提供することができる。この場合、本実施形態のような多層ＩＰＭ構造のロータ３においても、径方向の最内層に位置するスリット２５に注入されるボンド磁性体まで配向を確実に揃えることができる。従って、各スリット２５内に形成される各マグネット２６間での磁力のバラツキも抑えられる。

一方、前述の実施例では、ティース部１３の内周側をブリッジ部１４にて連結した構成のブラシレスモータを例に挙げたが、本発明は、ブリッジ部を設けることなく各ティースをそれぞれ分離形成した構成のブラシレスモータにも適用可能である。また、ティース部１３の構成も、これをアウタステータ１１のティース取付溝１６に嵌合固定する構成には限定されず、アウタステータ１１とティース部１３を一体に形成した構成でも良い。

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、他の車載電動装置や、ハイブリッド自動車、電気自動車などの電気機械・機器や、エアコン等の電気製品等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
４ａ 底部
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 アウタステータ
１２ インナーステータ
１３ ティース部
１４ ブリッジ部
１５ スロット
１６ ティース取付溝
１７ 嵌合部
２１ 給電用端子
２２ ロータシャフト
２３ａ,２３ｂ ベアリング
２４ ロータコア
２５ スリット（マグネット装着孔）
２５ａ〜２５ｃ スリット
２６ マグネット
２６ａ 最内層マグネット
２６ｂ 中間層マグネット
２６ｃ 最外層マグネット
２６ｎ Ｎ極マグネット
２６ｓ Ｓ極マグネット
３１ レゾルバ
３２ レゾルバロータ
３３ カバー
３４ 制御基板
３５ 制御基板
３６ パワー系素子
３７ 制御系素子
３８ レゾルバステータ
４１ 外周部
４２ スペース
４３ テーパ部
４４ 磁束制御部
５１ ロータ製造装置
５２ 界磁マグネット
５３ 磁性コア
５４ 界磁手段
５５ ロータ収容部
Ｍ１,Ｍ２ 中心線
Ｎ１,Ｎ２ Ｎ極ゾーン
Ｓ１,Ｓ２ Ｓ極ゾーン
Ｏｓ Ｓ極マグネット中心点
Ｏｎ Ｎ極マグネット中心点
Ｏｒ ロータ中心
Ｒｓ マグネット中心距離（Ｏｓ−Ｏｒ）
Ｒｎ マグネット中心距離（Ｏｎ−Ｏｒ）
Ｌｓ 最内層マグネット距離
Ｌｎ 最内層マグネット距離
Ｏec 偏心点
Ｌec 偏心距離
Ｐ 境界点
Ｑ 最外周位置
Ｒec 偏心半径
Ｒmax ロータ最外周位置距離（Ｑ−Ｏｒ）
Ｔｒ リラクタンストルク
Ｔｍ マグネットトルク
Ｔｔ 出力トルク

Claims (9)

1. 複数相の巻線を備えたステータと、
   前記ステータ内に回転自在に配置され、その内部に複数個のマグネットが埋設されたロータコアを備えたロータと、を有し、
   前記複数個のマグネットの各磁極がつくる磁束の方向をｄ軸とし、それと磁気的に直交する軸をｑ軸に設定し、
   前記ロータに前記ｄ軸と前記ｑ軸とが周方向に交互に複数個設けられ、前記ｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗差によって発生するリラクタンストルクと、前記マグネットによって発生するマグネットトルクとにより前記ロータを回転させるブラシレスモータであって、
   前記ロータは、Ｎ極又はＳ極の何れか一方である第１磁極と、前記第１磁極とは異なる極性の第２磁極とを有し、前記複数個のマグネットは、前記第１磁極を形成する断面円弧状のマグネットと、前記第２磁極を形成する断面円弧状のマグネットとからなり、
   前記第１及び第２磁極を形成する各マグネットは、その凸側部位をそれぞれ前記ロータの中心側に向けた状態で、前記ロータコアに形成されたマグネット装着孔内に収容され、
   前記マグネット装着孔は、前記ロータの外側に設定された同一の中心点を中心として同心状に複数個形成されると共に、前記第１及び第２磁極内に径方向に層を為して配設され、最外層に配された前記マグネット装着孔は、その端部に、該磁極内の前記マグネット装着孔間を流れる磁束量を制御する磁束制御部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、
   最外層の前記マグネット装着孔は、その長手方向端部に、該マグネット装着孔の周縁を直線状に形成したテーパ部を有し、
   前記磁束制御部は、前記テーパ部と、前記最外層のマグネット装着孔の内側に隣接して配置された他の前記マグネット装着孔との間に形成されてな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、
   前記テーパ部は、最も大きな半径の前記マグネット装着孔を有する磁極の最外層の前記マグネット装着孔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、
   前記テーパ部の基点が、最外層の前記マグネット装着孔に収容された前記マグネットの極弧角αと、最外層の前記マグネット装着孔の開口角βとの間に配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、
   前記テーパ部は、該テーパ部に沿った線Ａと、最外層の前記マグネット装着孔に収容された前記マグネットの端部位置の線Ｂが為すテーパ角θｔが、０°よりも大きく、９０°未満（０°＜θｔ＜９０°）であ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、
   前記テーパ角θｔが６８°〜７２°であることを特徴とするブラシレスモータ。
7. 請求項６記載のブラシレスモータにおいて、
   前記テーパ角θｔが７０°であることを特徴とするブラシレスモータ。
8. 請求項１〜７の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記マグネット装着孔は、前記第１及び第２磁極に関わらず、径方向に沿って同じ層では同じ半径に形成されることを特徴とするブラシレスモータ。
9. 請求項１〜８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。

Images