JP2015186322A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】中空状のブラシレスモータにおいて、モータのコンパクト化を図りつつ、高トルクと高回転を両立させる。【解決手段】ブラシレスモータ１は、１０極１２スロットまたは１４極１２スロット構成の偏平型モータ（マグネット長Ｌｍ／ステータ外径Ｄｓ≰０.５）であり、ステータ１１とロータ２１を備え、電動の液圧式ブレーキ装置に使用される。ロータ２１は、中空状のロータコア２２と、ロータコア２２の外周面に配置された複数個のロータマグネット２３と、マグネット２３の間に配置された突極２６を有する。マグネット２３と突極２６はロータコア２２の外周面に交互に配置される。マグネット磁極数をＰとしたとき、マグネット２３と突極２６の各中心角θｍ，θｐは、０.２＜θｐ／θｍ＜０.７５、かつ、（３６０／Ｐ）?０.８＜θｍ＋θｐ＜（３６０／Ｐ）?０.９の関係に設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、中空状の回転軸を備えた中空ブラシレスモータに関し、特に、液圧式ブレーキのピストン駆動用モータに好適なブラシレスモータに関する。

自動車等のブレーキシステムでは、近年、ハイブリッド車の普及と共に、電動モータを倍力装置の動力源とした液圧式ブレーキの採用が増大している。このような液圧式ブレーキでは、例えば特許文献１のように、モータの回転をボールねじ機構によって直線運動に変換し、この直線運動により、シリンダ内のピストンを作動させてブレーキ液圧を発生させている。図８は、ブレーキアシスト用のモータに求められる性能を図式化した説明図である。液圧式ブレーキは、車両停止時のブレーキ力維持等のために液圧保持力が求められると共に、ブレーキング動作に対する高応答性が求められる。このため、動力源たるモータには、それらの要求を満たすべく、図８の破線にて示したような低回転・高トルクと低負荷・高回転の両立が求められる。そこで、従来より、モータの高トルクと高回転を成立させるため、ロータコア内にマグネットを埋設したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）形のモータが用いられている。

特開2012-121557号公報 特開2005-287262号公報 特開2012-95401号公報

一方、ブレーキアシスト用モータは、常に小型化・軽量化を迫られている。このため、モータ回転軸を中空状とし、そこにボールねじ機構を組み込んで軸方向長を短縮化した形態の装置も提案されている。そこでは、マグネット長をＬｍ、ステータ外径をＤｓとしたとき、ＬｍとＤｓの比が０.５以下（Ｌｍ／Ｄｓ≦０.５）となった所謂偏平型のモータが用いられる。ところが、例えば特許文献２のように、中空状の偏平型モータを採用した場合、中空径を極力大きくした上でモータをコンパクト化するには、ロータの外径をなるべく小さくする必要があり、ロータが中空状であることからロータ自体の厚みが薄くなってしまうため、ＩＩＰＭ構造を採用することが難しくなる。そこで、例えば特許文献３のように、ロータをＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構造とすると、ＳＰＭ形のモータでは、低負荷時の高回転を得るために弱め界磁制御を行っても、図８に実線にて示したような特性となり、所望の応答性を満たすような高回転を得ることができない、という問題があった。

本発明の目的は、中空状のブラシレスモータにおいて、モータのコンパクト化を図りつつ、高トルクと高回転を両立させることにある。

本発明のブラシレスモータは、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、を有するブラシレスモータであって、前記ロータは、中空状のロータコアと、前記ロータコアの外周面に周方向に沿って配置された複数個のマグネットと、前記ロータコアの外周面に突設され隣接する前記マグネットの間に配置された複数個の突極と、を有し、前記マグネットと前記突極は、前記ロータコアの外周面に交互に配置され、前記マグネットによる磁極数をＰとしたとき、前記ロータコアの回転中心に対する前記マグネットと前記突極の各中心角θｍ，θｐが、０.２＜θｐ／θｍ＜０.７５、（３６０／Ｐ）×０.８＜θｍ＋θｐ＜（３６０／Ｐ）×０.９の関係に設定されてなることを特徴とする。

本発明にあっては、ＳＰＭ構造において、マグネットトルクを活用できるＳＰＭに、リラクタンストルクを使用するためにマグネット間に突極を追加すると共に、θｍとθｐを上述のような関係に設定することにより、弱め界磁制御の効果が高められ、低負荷時に高回転を得ることができ、高応答性と高トルクを両立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、前記ステータに、巻線が巻装されるティースと、隣接する前記ティースの間に形成され前記巻線が収容されるスロットと、を設け、前記マグネット極数と前記スロット数の関係を１０極１２スロットまたは１４極１２スロットとしても良い。これにより、トルクリップルの低減が図られ、当該ブラシレスモータを電動ブレーキ装置用のモータシリンダ装置に用いたとき、油圧の脈動を抑え、安定したブレーキ動作を行わしめることが可能となる。

当該ブラシレスモータは、前記マグネットの軸方向の長さをＬｍ、前記ステータの外径をＤｓとしたとき、ＬｍとＤｓの比が０.５以下（Ｌｍ／Ｄｓ≦０.５）の偏平型モータであっても良い。これにより、ＩＰＭ構造を採用し得ないような中空状の偏平型モータにて、弱め界磁制御の効果が高められ、低負荷時に高回転を得ることができ、高応答性と高トルクを両立させることが可能となる。

加えて、当該ブラシレスモータを電動ブレーキ装置に使用しても良く、特に、液圧式ブレーキの動力源として当該ブラシレスモータを用いることにより、弱め界磁の効果で起動時に高回転が得られる。このため、作動初期には高回転・高応答性が求められる一方、作動後は高トルクが求められるようなモータとしては最適な特性を提供することが可能となる。しかも、起動時に少ない弱め界磁で高回転が得られるので、高応答性を実現しつつ、消費電力の低減を図ることも可能となる。

本発明のブラシレスモータによれば、ロータコアの外周面にマグネットと突極を交互に配置し、マグネットによる磁極数をＰとしたとき、マグネットと突極の各中心角θｍ，θｐを、０.２＜θｐ／θｍ＜０.７５、（３６０／Ｐ）×０.８＜θｍ＋θｐ＜（３６０／Ｐ）×０.９の関係に設定したので、マグネットによるマグネットトルクと、突極によるリラクタンストルクの相乗効果により、弱め界磁制御の効果が高められ、低負荷時に高回転を得ることができ、高応答性と高トルクを両立させることが可能となる。

本発明の一実施形態であるブラシレスモータの断面図である。 図１のブラシレスモータのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 １０極１２スリット・８極１２スリットの各モータのトルクリップルを示す説明図である。 ロータマグネットと突極の配置関係を示す説明図である。 マグネット中心角θｍと突極中心角θｐの比θｐ／θｍとトルクとの関係を示す説明図である。 比θｐ／θｍと回転数の関係を示す説明図である。 本発明によるブラシレスモータにおけるトルクと回転数の関係を示す説明図である。 液圧式ブレーキ用モータに求められる特性と、ＳＰＭモータの特性、ＳＰＭモータに弱め界磁制御を行った場合の特性をそれぞれ示した説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態であるブラシレスモータ１の断面図、図２は図１のブラシレスモータのＡ−Ａ線に沿った断面図である。ブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、電動の液圧式ブレーキのモータシリンダ装置に組み込まれて使用される。モータ１もまた、マグネット長をＬｍ、ステータ外径をＤｓとしたとき、ＬｍとＤｓの比が０.５以下（Ｌｍ／Ｄｓ≦０.５）となった所謂偏平型のモータとなっている。モータ１の内部は中空状となっており、その内部には、図示しないボールねじ機構が収容される。ブラシレスモータ１の回転は、このボールねじ機構によって減速されつつ軸方向の運動に変換され、モータシリンダ装置に設けられたマスターシリンダ内のピストンを軸方向に作動させる。ピストンの動作に伴い、マスターシリンダ内の液体が圧縮され、運転者のブレーキング動作に応じたブレーキ液圧が発生する。

ブラシレスモータ１は、外側にステータ（固定子）１１、内側にロータ（回転子）２１を配したインナーロータ形の構成となっている。ステータ１１は、有底円筒形状に形成されたモータケース１２内に収容固定されており、ステータコア１３と、ステータコア１３に巻装されたステータコイル１４（以下、コイル１４と略記する）を備えている。コイル１４は、ステータコア１３に径方向内向きに設けられた複数のティース１５に巻装されており、ティース１５間に形成されたスロット１６内に収容されている。モータ１では、ティース１５及びスロット１６は１２個設けられている。モータケース１２は、鉄等の磁性体にて形成されており、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１７が取り付けられている。コイル１４からは、図示しない給電用配線が引き出されており、図示しないコントローラに電気的に接続されている。

ステータ１１の内側にはロータ２１が回転自在に配置されている。ロータ２１は、磁性材料にて形成されたロータコア２２と、ロータコア２２に取り付けられたロータマグネット２３（以下、マグネット２３と略記する）を有している。ロータコア２２は、中空状のロータシャフト２４の外周に圧入固定されている。ロータシャフト２４の内側には図示しないボールねじ機構が配される。ロータシャフト２４は、モータケース１２とブラケット１７にそれぞれ取り付けられたベアリング２５ａ,２５ｂによって、回転自在に支持されている。ロータシャフト２４の内側には図示しないボールねじシャフトが挿通されており、ボールねじシャフトの端部にはピストンが固定されている。モータ１の作動に伴って、ロータコア２２と共にロータシャフト２４が回転すると、ボールねじシャフトが軸方向（図１において左右方向）に移動し、マスターシリンダ内のピストンを押圧するように構成されている。

図２に示すように、ロータ２１は、ロータコア２２の外周面に複数のマグネット２３がホルダ部材や接着等の固定手段にて取り付けられたＳＰＭ構造となっている。マグネット２３は１０個設けられており、当該モータ１は１０極１２スロット（１０Ｐ１２Ｓ）構成となっている。モータ１ではさらに、ロータコア２２の外周面に突極２６が設けられている。突極２６は、マグネット２３と交互に設けられており、隣接するマグネット２３の間に突極２６が配置される形となっている。モータ１では、マグネット２３によるマグネットトルクに加えて、マグネット間に突極２６を設けることにより、突極２６によるリラクタンストルクを利用し、高トルクと高回転の両立を図っている。

ここで、モータ１は、油圧動力用モータとして用いられるため、電動パワーステアリング装置用モータのような低コギングの要求は低く、コギングよりもトルクが優先される。その一方、システムの油圧脈動を抑えるため、トルクリップルは小さい方が好ましい。また、コストや体格面から見ると、極スロット数の関係としては、少極少スロットが望ましい。そこで、これらを総合すると、コンパクトな中空モータとしては、８Ｐ１２Ｓや１０Ｐ１２Ｓ、１４Ｐ１２Ｓなどが候補となる。しかし、８Ｐ１２Ｓは、１０Ｐ１２Ｓや１４Ｐ１２Ｓとほぼ同じ体格で目標トルク要件を満足することができるものの、トルクリップルが大きいため（図３参照）、油圧動力用モータとして用いる場合は、１０Ｐ１２Ｓと１４Ｐ１２Ｓの仕様が最適となる。

そこで、図１,２のような１０Ｐ１２Ｓ構成のモータ１において、トルクや回転数の要件を検討する。図４は、マグネット２３と突極２６の配置関係を示す説明図であり、マグネット２３の中心角をθｍ（以下、マグネット中心角θｍ）、突極２６の中心角をθｐ（以下、突極中心角θｐ）とする。図５は、マグネット中心角θｍと突極中心角θｐの比θｐ／θｍとトルクとの関係、図６は、前記比θｐ／θｍと回転数との関係を示す説明図である。図５,６の関係は、θｍ＋θｐが（３６０／Ｐ（Ｐ：マグネット磁極数））×０.８，０.８５，０.９の３つの場合について検討した。

発明者の実験によると、まずトルクに関しては、図５に示すように、８Ｎｍ以上を確保しようとすると、θｐ／θｍが０.７５より小さい必要があることが分かった。一方、回転数に関しては、図６に示すように、必要な回転数（トルク２Ｎｍにて１５００ｒｐｍ）を確保するにはθｐ／θｍが０.２よりも大きい必要があることが分かった。従って、所望のトルクと回転数を得られるθｐ／θｍは次のような条件を満たすことが求められる。
０.２＜θｐ／θｍ＜０.７５ （式１）

一方、マグネット２３と突極２６との間には、マグネット磁束の短絡防止とマグネット固定のために若干の隙間が必要となる。すなわち、θｍ＋θｐを最大値（隙間なし）に形成すると、マグネット２３から突極２６に磁束が漏れてしまい、磁束の利用効率が低下する。このため、磁束漏れを防止すべく、マグネット２３の両側と突極２６との間に磁気的なギャップを形成する必要がある。また、マグネット−突極２６間に隙間がないと、マグネットホルダなどによりマグネット２３を固定するためのスペースが確保できなくなる。但し、隙間が大きくなる（マグネット２３や突極２６が小さくなる）とトルクや回転数の低下を招き、スペース効率も悪くなる。そこで、これらの点を勘案すると、θｍ＋θｐは次のような範囲に設定することが好ましい（Ｐ：マグネット磁極数）
（３６０／Ｐ）×０.８＜θｍ＋θｐ＜（３６０／Ｐ）×０.９ （式２）

式（１）は、低負荷・高回転−低回転・高トルクを両立させるには、突極中心角θｐを、マグネット中心角θｍの０.２〜０.７５（２０％〜７５％）の大きさに設定することが好ましいことを示している。また、式（２）は、マグネット２３と突極２６の間の隙間は、最低θｍ＋θｐの１０％を確保する一方、隙間は２０％までに抑えることが望ましいことを示している。例えば１０極構成の場合、θｍ＋θｐの最大値は３６°となり、θｍ＋θｐは２８.８°〜３２.４°とすることが好ましい。従って、１０極の場合、θｍ＋θｐをこの範囲に設定しつつ、θｐがθｍの２０％〜７５％の範囲となるように、θｐとθｍを比例配分すれば、弱め界磁制御の効果が高められ、所望のトルクと回転数を得ることができ、高応答性と高トルクを両立させることが可能となる。なお、発明者らの実験によれば、式（１・２）の条件を保持しつつ、θｍは、１７５／Ｐ≦θｍ≦２５５／Ｐ、θｐは、５０／Ｐ≦θｐ≦１３０／Ｐに設定すると好ましいことも分かった。

このようにモータ１は、ＳＰＭ構造においてマグネット間に突極を設けることにより、マグネットトルクとリラクタンストルクの相乗効果から、図７に示すようなトルクと回転数の関係が得られることが分かった。これは、破線にて示した目標要件を十分に達成しており、電動の液圧式ブレーキのモータシリンダ装置に好適な特性が得られた。すなわち、ＩＰＭ構造を採用することが困難な偏平型のモータでありながら、弱め界磁制御の効果が高められ、低負荷時に高回転を得ることができ、高応答性と高トルクを両立させることが可能となる。また、１０Ｐ１２Ｓと１４Ｐ１２Ｓ構造を採用することによりトルクリップルも抑えられる。従って、当該モータ１をモータシリンダ装置の駆動源として用いることにより、油圧の脈動を抑えつつ、所望の応答性と出力特性を得ることが可能となる。

本発明は前述のような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、前述の実施形態では、本発明によるブラシレスモータとして、１０Ｐ１２Ｓ構造のモータについて説明したが、前述のように、本発明は、１４Ｐ１２Ｓ構造のモータにも適用可能である。

前述の実施形態では、本発明を液圧式ブレーキ用のブラシレスモータに適用した例を示したが、本発明は、液圧式ブレーキ以外にも、高応答性と高トルクの両立が求められる電動モータに広く適用可能である。

１ ブラシレスモータ
１１ ステータ
１２ モータケース
１３ ステータコア
１４ ステータコイル
１５ ティース
１６ スロット
１７ ブラケット
２１ ロータ
２２ ロータコア
２３ ロータマグネット
２４ ロータシャフト
２５ａ,２５ｂ ベアリング
２６ 突極
θｍ マグネット中心角
θｐ 突極中心角
Ｌｍ マグネット長
Ｄｓ ステータ外径

Claims (4)

1. 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、を有するブラシレスモータであって、
   前記ロータは、中空状のロータコアと、前記ロータコアの外周面に周方向に沿って配置された複数個のマグネットと、前記ロータコアの外周面に突設され隣接する前記マグネットの間に配置された複数個の突極と、を有し、
   前記マグネットと前記突極は、前記ロータコアの外周面に交互に配置され、
   前記マグネットによる磁極数をＰとしたとき、前記ロータコアの回転中心に対する前記マグネットと前記突極の各中心角θｍ，θｐが、
   ０.２＜θｐ／θｍ＜０.７５
   （３６０／Ｐ）×０.８＜θｍ＋θｐ＜（３６０／Ｐ）×０.９
   の関係に設定されてな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、
   前記ステータは、巻線が巻装されるティースと、隣接する前記ティースの間に形成され前記巻線が収容されるスロットと、を有し、
   前記マグネット極数と前記スロット数の関係が、１０極１２スロットまたは１４極１２スロット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、
   前記マグネットの軸方向の長さをＬｍ、前記ステータの外径をＤｓとしたとき、当該ブラシレスモータは、ＬｍとＤｓの比が０.５以下（Ｌｍ／Ｄｓ≦０.５）の偏平型モータ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、
   当該ブラシレスモータは、電動ブレーキ装置に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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