JP2018068062A - ブラシレスモータ - Google Patents

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Akihiro Yasui
彰広 安井
修靖 三輪
Nagayasu Miwa
修靖 三輪
武光 角谷
Takemitsu Sumiya
武光 角谷
栄介 梅村
Eisuke Umemura
栄介 梅村
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Abstract

【課題】騒音を低減することができるブラシレスモータを提供する。【解決手段】ブラシレスモータは、マグネットロータ11と、複数の第1ティース24と、複数の第1ティース24の周方向の間に設けられた第2ティース25と、第1ティース24のみに導線を集中巻きして形成された駆動コイル27とを備えるステータ20とを備える。第1ティース24の第1対向面24a及び第2ティース25の第2対向面25aのそれぞれは曲面であり、周方向における第2対向面25aの長さは周方向における第1対向面24aの長さよりも短い。第1対向面24aとマグネットロータ11の外周面との第1エアギャップG1は、周方向における第1エアギャップG1の中心から縁に向かうにつれて次第に大きくなり、第2対向面25aとマグネットロータ11の外周面との第2エアギャップG2は、周方向における第2エアギャップG2の中心から縁に向かうにつれて次第に大きくなる。【選択図】図2

Description

本発明は、ブラシレスモータに関する。
ステータコアのコアバックの径方向内側から放射状に延びる複数のティースに導線が集中巻きされて駆動コイルが形成されたステータにおいて、周方向に隣り合うティースの間に駆動コイルが形成されていないティースが配置された構成が一般的に知られている。この構成によれば、スロットの周方向の幅が小さくなるため、コギングトルクを低減することができる。
このようなステータを備えるブラシレスモータにおいて、駆動コイルが形成されていないティースの先端部の周方向の長さが、駆動コイルが形成されたティースの先端部の周方向の長さよりも短くなるように形成されたステータを備えることにより、ディテントトルク(コギングトルク)をより低減する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。
特許第5254203号公報
ところで、駆動コイルが形成されていないティースの周方向の長さが、駆動コイルが形成されたティースの先端部の周方向の長さよりも短くなるように形成されるステータを備えるブラシレスモータを駆動させると、制御周波数及びその高調波の騒音レベルよりも騒音レベルが高い周波数(以下、「特定周波数」)が発生し、騒音が大きくなる。
ここで、特定周波数は、非制御周波数に含まれる所定の周波数である。制御周波数は、所謂スイッチング周波数であり、マグネットロータの1回転あたりにインバータ回路のスイッチング素子のオンオフの組合せを切り替える回数である。制御周波数の高調波は、制御周波数に整数を乗算した周波数、及び制御周波数を整数で除算した周波数である。非制御周波数は、制御周波数及びその高調波を含まない周波数である。
本発明の目的は、騒音を低減することができるブラシレスモータを提供することにある。
上記課題を解決するブラシレスモータは、回転軸と一体に回転可能なマグネットロータと、前記マグネットロータの径方向において前記マグネットロータと隙間を介して対向して配置されるステータと、を備え、前記ステータは、前記径方向において第1エアギャップを介して前記マグネットロータと対向する第1対向面を有する複数の第1ティースと、前記ステータの周方向において隣り合う前記第1ティースの間に設けられ、前記径方向において第2エアギャップを介して前記マグネットロータと対向する第2対向面を有する複数の第2ティースと、前記第1ティースのみに導線を集中巻して形成された駆動コイルと、を備え、前記周方向における前記第2対向面の長さは、前記周方向における前記第1対向面の長さよりも短く、前記第1対向面及び前記第2対向面のそれぞれは、曲面であり、前記第1エアギャップは、前記周方向における前記第1エアギャップの中心から前記第1エアギャップの縁に向かうにつれて大きくなり、前記第2エアギャップは、前記周方向における前記第2エアギャップの中心から前記第2エアギャップの縁に向かうにつれて大きくなる。
この構成によれば、ステータの周方向において第1エアギャップ及び第2エアギャップをその中心から縁に向かうにつれて大きくすることにより、特定周波数の騒音レベルが低減される。このため、ブラシレスモータの騒音を低減することができる。
上記ブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、インナーロータ型のブラシレスモータであり、前記第1対向面及び前記第2対向面のそれぞれは、前記径方向において前記回転軸から離れるように湾曲する曲面であり、前記マグネットロータの外周面の曲率半径に対する前記第1対向面の曲率半径の比率である第1曲率半径比と、前記マグネットロータの外周面の曲率半径に対する前記第2対向面の曲率半径の比率である第2曲率半径比とのそれぞれは、1よりも大きいことが好ましい。
上記構成によれば、第1曲率半径比及び第2曲率半径比のそれぞれを1よりも大きくすることにより、ステータの周方向において第1エアギャップ及び第2エアギャップをその中心から縁に向かうにつれて大きくする構造を容易に実現できる。
上記ブラシレスモータにおいて、前記第1曲率半径比及び前記第2曲率半径比のそれぞれは互いに等しく、かつ1.25以上かつ1.75以下であることが好ましい。
上記構成によれば、特定周波数の騒音レベルを一層低減しつつ、拘束トルクが過度に小さくなることを一層抑制することができ、かつ、コギングトルクが過度に大きくなることを一層抑制することができる。したがって、ブラシレスモータの性能をより高めることができる。
上記ブラシレスモータにおいて、前記第1曲率半径比及び前記第2曲率半径比のそれぞれは、1.5であることが好ましい。
上記構成によれば、特定周波数の騒音レベルをより一層低減しつつ、拘束トルクが過度に小さくなることをより一層抑制することができ、かつ、コギングトルクが過度に大きくなることをより一層抑制することができる。したがって、ブラシレスモータの性能をより一層高めることができる。
上記ブラシレスモータにおいて、前記マグネットロータは、極異方性を有することが好ましい。
上記構成によれば、コギングトルクを低減することができる。
上記ブラシレスモータによれば、騒音を低減することができる。
一実施形態におけるブラシレスモータを径方向に沿う平面で切った断面図。 図1のマグネットロータ及びステータの一部の拡大図。 第1曲率半径比及び第2曲率半径比と、ブラシレスモータの駆動時におけるステータと永久磁石との電磁力との関係を示すグラフ。 第1曲率半径比及び第2曲率半径比と拘束トルクとの関係を示すグラフ。 第1曲率半径比及び第2曲率半径比とコギングトルクとの関係を示すグラフ。
以下、車両に設けられたスライドドアを開閉するパワースライドドア装置の駆動源となるブラシレスモータについて、図面に従って説明する。
図1に示すように、ブラシレスモータ1は、車両の制御装置がインバータ回路(ともに図示略)を介して供給する三相(U相、V相、W相)の駆動電力に基づいて回転する3相駆動型のモータである。インバータ回路は、U相のスイッチングアーム、V相のスイッチングアーム、及びW相のスイッチングアーム(ともに図示略)を有する。各スイッチングアームは、一対のスイッチング素子(図示略)が直列に接続されている。インバータ回路は、6個のスイッチング素子がオンオフすることによりU相の駆動電力、V相の駆動電力、及びW相の駆動電力をブラシレスモータ1に供給する。このブラシレスモータ1は、スライドドアを開閉するために正逆回転が可能である。
ブラシレスモータ1は、各駆動電力の供給により磁界を形成するステータ20の内側に、回転軸10と一体に回転するマグネットロータ11が配置されたインナーロータ型のモータである。なお、以降の説明において、「軸方向」は回転軸10が延びる方向に沿う方向を示し、「径方向」は軸方向に直交する方向を示し、「周方向」は回転軸10の中心軸の周り方向に沿う方向を示す。
マグネットロータ11は、回転軸10に固定された円筒状のロータコア12を備える。ロータコア12は、円環状に形成された複数の磁性鋼板を軸方向に積層して構成されている。ロータコア12の外周面には、リング状の永久磁石13が例えば接着剤により固定されている。永久磁石13は、その周方向においてN極及びS極が交互に8極着磁されている。永久磁石13は、極異方性を有している。これにより、永久磁石13の磁束密度が周方向において正弦波状に変化する。このため、ブラシレスモータ1のコギングトルクを低減することができる。
ステータ20は、マグネットロータ11の外周面と隙間を介して対向して配置されている。ステータ20は、永久磁石13との間で磁気回路を構成するステータコア21を備える。ステータコア21は、複数の磁性鋼板を軸方向に積層して構成されている。ステータコア21は、円環状のコアバック22と、コアバック22から回転軸10に向けて放射状に延びる複数のティース23とからなる。本実施形態のティース23は、12個であり、周方向において等間隔に配置されている。このように、ブラシレスモータ1の磁極数(P)及びスロット数(S)の関係は、8P12Sである。なお、ブラシレスモータ1の磁極数及びスロット数は任意の設定事項である。例えばブラシレスモータ1の磁極数及びスロット数は、10P12S、8P6Sなどであってもよい。また、複数のティース23の配置態様は、任意の設定事項である。例えば、複数のティース23は、周方向において不等ピッチ(不等間隔)に配置されてもよい。
複数のティース23は、周方向において離間して配置された複数の第1ティース24と、周方向に隣り合う第1ティース24の間に配置された複数の第2ティース25とを含む。これにより、第1ティース24及び第2ティース25は、周方向に交互に配置されている。図1に示すとおり、第1ティース24の形状と第2ティース25の形状とは異なる。第1ティース24には、径方向において第1エアギャップG1(図2参照)を介してマグネットロータ11(永久磁石13)の外周面と対向する第1ティース24の内周面となる第1対向面24aが設けられている。第2ティース25には、径方向において第2エアギャップG2(図2参照)を介してマグネットロータ11(永久磁石13)の外周面と対向する第2ティース25の内周面となる第2対向面25aが設けられている。周方向における第2対向面25aの長さは、周方向における第1対向面24aの長さよりも短い。周方向における第2対向面25aの長さ及び周方向における第1対向面24aの長さのそれぞれは、ブラシレスモータ1のコギングトルクが十分に小さく、かつ、拘束トルクが大きくなるような長さに設定されている。本実施形態では、周方向における第2対向面25aの長さは、周方向における第1対向面24aの長さの略1/2である。
ステータコア21には、電気的絶縁性を有する樹脂により形成されたインシュレータ26が装着されている。インシュレータ26は、コアバック22の内周面並びに第1ティース24の側面及び軸方向の両端面(図示略)を覆う一方、第1対向面24a及び第2ティース25を覆っていない。
ステータ20は、第1ティース24にインシュレータ26の上から導線が巻回されることにより形成され、3相の駆動電力が供給される駆動コイル27を有する。各駆動コイル27は、1つの第1ティース24に導線が巻回される集中巻きで形成されている。一方、第2ティース25には導線が巻回されていない。このように、ステータ20は、駆動コイル27が形成されたティース23(第1ティース24)と、駆動コイル27が形成されてないティース23(第2ティース25)とが周方向に交互に配置された構成である。
第1ティース24は、コアバック22から径方向内側に延びるコイル装着部24bを備える。第1ティース24の径方向内側の端部、即ち第1ティース24におけるコイル装着部24bよりも径方向内側の部分には、第1対向面24aを構成する先端部24cが形成されている。周方向における先端部24cの長さ、即ち周方向における第1対向面24aの長さは、周方向におけるコイル装着部24bの長さよりも大きい。なお、周方向におけるコイル装着部24bの長さは、コイル装着部24bの周方向一方側の側面と周方向他方側の側面との周方向の間の長さにより規定される。
周方向における第2ティース25の長さは、コアバック22から径方向内側に延びるにつれて小さくなり、第2対向面25aにおいて最小となる。第2ティース25における径方向外側の部分には、第2ティース25を軸方向に貫通する貫通孔25bが形成されている。貫通孔25bは、ブラシレスモータ1のハウジング(図示略)にステータ20を設置するときのハウジングに対するステータ20の位置決めとして用いることができる。また、ねじ(図示略)が貫通孔25bに挿入されてハウジングにねじ込まれることにより、ステータ20をハウジングに固定することもできる。加えて、第2ティース25に貫通孔25bが形成されても、貫通孔25bが形成された第2ティース25の部分における第2ティース25の貫通孔25b以外の磁気経路Wを十分に確保しているため、第2ティース25に磁気飽和が生じにくい。このようにステータコア21内にステータ20をハウジングに固定する構造が設けられるため、ステータコア21の径方向外側にステータ20をハウジングに固定する構造が設けられる場合に比べ、ブラシレスモータ1を径方向に小型化することができる。
図2に示すように、第1対向面24a及び第2対向面25aのそれぞれは、径方向において回転軸10(図1参照)から離れるように湾曲する曲面、即ち径方向外側に湾曲する曲面により形成されている。第1対向面24aは、平面視において第1対向面24aの周方向の中央が最も湾曲する円弧により形成されている。第2対向面25aは、平面視において第2対向面25aの周方向の中央が最も湾曲する円弧により形成されている。第1対向面24aの曲率半径RS1及び第2対向面25aの曲率半径RS2は互いに等しい。曲率半径RS1,RS2は、永久磁石13の曲率半径RMよりも大きい。このため、曲率半径RMに対する曲率半径RS1の比率である第1曲率半径比RX1(RS1/RM)、及び曲率半径RMに対する曲率半径RS2の比率である第2曲率半径比RX2(RS2/RM)のそれぞれは1よりも大きい。本実施形態では、曲率半径RS1及び曲率半径RS2が等しいので、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2が等しくなる。
このような構成によれば、第1エアギャップG1が第1対向面24aの周方向の中心から第1対向面24aの周方向の縁に向かうにつれて次第に大きくなる。また、第2エアギャップG2が第2対向面25aの周方向の中心から第2対向面25aの周方向の縁に向かうにつれて次第に大きくなる。
上述のような第1エアギャップG1及び第2エアギャップG2により、マグネットロータ11の回転に伴う、永久磁石13とステータコア21との間の電磁力MEの急激な変化、即ちステータ20に加えられる力の急激な変化を抑制することができる。これにより、電磁力MEに起因したステータ20の振動が緩やかになるため、ブラシレスモータ1の騒音を低減することができる。特に、ブラシレスモータ1は、車室に近いボディ側部に設けられたパワースライドドア装置の駆動源となるため、ブラシレスモータ1の騒音に起因して乗車者に不快感を与えることを抑制することができる。
次に、第1エアギャップG1及び第2エアギャップG2の適切な大きさを得るため、第1エアギャップG1及び第2エアギャップG2の大きさと電磁力MEとの関係を確認するための試験結果について説明する。図3は、第1エアギャップG1及び第2エアギャップG2を規定する第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2と、電磁力MEの特定周波数成分との関係を示す試験結果の一例である。この試験結果から次のことが確認できる。第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1よりも大きい場合、電磁力MEの特定周波数成分が低減される。第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1.25以上かつ1.75以下の範囲に含まれる場合、電磁力MEの特定周波数成分がより低減される。またブラシレスモータ1の制御周波数(24次の周波数)とは異なる特定周波数の低減が確認された。
また、第1エアギャップG1及び第2エアギャップG2の大きさが変化することにより、拘束トルクTaやコギングトルクTcに影響が与えられることが知られている。図4は、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2と拘束トルクTaとの関係を示す試験結果の一例である。図5は、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2とコギングトルクTcとの関係を示す試験結果の一例である。図4及び図5の試験結果から次のことが確認できる。図4に示すように、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1以上の範囲において、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが大きくなるにつれて拘束トルクTaが小さくなる。図5に示すように、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1以上の範囲において、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2が大きくなるにつれてコギングトルクTcが大きくなる。
図3〜図5に示す試験結果から第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれは、1よりも大きいことが好ましい。これにより、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1の場合に比べ、コギングトルクTcが大きくなるものの、電磁力MEの特定周波数成分を低減することができるため、ブラシレスモータ1全体の騒音レベルを低減することができる。また第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1の場合に比べ、拘束トルクTaが過度に小さくなることを抑制することができる。したがって、ブラシレスモータの性能を総合的に見たときに、ブラシレスモータ1の性能は比較モータの性能よりも高くなる。
また第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれは、1.25以上かつ1.75以下であることがさらに好ましい。これにより、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1よりも大きく、かつ1.25未満の場合に比べ、電磁力MEの特定周波数成分を低減することができ、かつコギングトルクTcを小さくすることができる。したがって、ブラシレスモータ1全体の騒音レベルを低減することができる。また第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1.75よりも大きい場合に比べ、拘束トルクTaを大きくし、かつ、コギングトルクTcを小さくすることができる。したがって、ブラシレスモータ1の性能をより高めることができる。
また第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1.5であることが最も好ましい。これにより、電磁力MEの特定周波数成分を最も低減することができ、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1.5よりも大きく、かつ1.75以下の場合に比べ、コギングトルクTcを小さくすることができる。したがって、ブラシレスモータ1の騒音レベルを低減することができる。また第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれが1.5よりも大きく、かつ1.75以下の場合に比べ、拘束トルクTaを大きくすることができる。したがって、ブラシレスモータ1の性能をより高めることができる。なお、本実施形態の第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれは1.5である。
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2のそれぞれは任意の設定事項である。例えば第1曲率半径比RX1及び第2曲率半径比RX2は互いに異なってもよい。
・上記実施形態では、第2ティース25の貫通孔25bによりステータ20をハウジングに固定する構造であったが、これに限られず、第2ティース25から貫通孔25bを省略し、ステータ20よりも径方向外側にステータ20をハウジングに固定する構造を設けてもよい。
・上記実施形態では、円環状のコアバック22とコアバック22から径方向内側に延びる複数のティース23とが一体に形成されたが、これに限られず、ステータコア21がカーリングコアや分割コアであってもよい。
・上記実施形態では、永久磁石13が極異方性を有していたが、これに限られず、例えばラジアル異方性を有していてもよい。この場合、拘束トルクTaが大きくなる一方、コギングトルクTcも大きくなる。また永久磁石13は等方性を有してもよい。
・上記実施形態では、永久磁石13がリング状に形成されたが、これに限られず、複数の永久磁石からなる所謂セグメントマグネットであってもよい。
・上記実施形態では、永久磁石13がロータコア12の外周面に固定された表面磁石構造であったが、これに限られず、ロータコア12においてロータコア12の外周面よりも径方向内側の部分に形成された磁石収容部に収容される埋込磁石構造であってもよい。この埋込磁石構造の場合、ロータコア12の外周面がマグネットロータ11の外周面に相当する。また、永久磁石13は、ロータコア12を使用せず、回転軸10と樹脂で一体成形されてもよい。
・上記実施形態では、ブラシレスモータ1はインナーロータ型であったが、これに限られず、ステータ20の径方向外側に永久磁石13を有するマグネットロータ11が配置されるアウターロータ型であってもよい。この場合、例えば永久磁石13の内周面の曲率半径が第1ティース24の外周面となる第1対向面24aの曲率半径及び第2ティース25の外周面となる第2対向面25aの曲率半径よりも小さい。これにより、第1対向面24aとマグネットロータ11の外周面との第1エアギャップG1は、周方向における第1エアギャップG1の中心から第1エアギャップG1の縁に向かうにつれて次第に大きくなる。また第2対向面25aとマグネットロータ11の外周面との第2エアギャップG2は、周方向における第2エアギャップG2の中心から第2エアギャップG2の縁に向かうにつれて次第に大きくなる。
・上記実施形態では、ブラシレスモータをパワースライドドア装置の駆動源に適用したが、これに限られず、例えば、車両後部に設けられたバックドアやラゲッジドア、あるいはトランク蓋、またはパワーウィンドウの駆動源に適用してもよい。
1…ブラシレスモータ、10…回転軸、11…マグネットロータ、20…ステータ、24…第1ティース、24a…第1対向面、25…第2ティース、25a…第2対向面、27…駆動コイル、G1…第1エアギャップ、G2…第2エアギャップ、RM…マグネットロータの外周面の曲率半径、RS1…第1対向面の曲率半径、RS2…第2対向面の曲率半径。

Claims (5)

  1. 回転軸と一体に回転可能なマグネットロータと、
    前記マグネットロータの径方向において前記マグネットロータと隙間を介して対向して配置されるステータと、を備え、
    前記ステータは、
    前記径方向において第1エアギャップを介して前記マグネットロータと対向する第1対向面を有する複数の第1ティースと、
    前記ステータの周方向において隣り合う前記第1ティースの間に設けられ、前記径方向において第2エアギャップを介して前記マグネットロータと対向する第2対向面を有する複数の第2ティースと、
    前記第1ティースのみに導線を集中巻して形成された駆動コイルと、を備え、
    前記周方向における前記第2対向面の長さは、前記周方向における前記第1対向面の長さよりも短く、
    前記第1対向面及び前記第2対向面のそれぞれは、曲面であり、
    前記第1エアギャップは、前記周方向における前記第1エアギャップの中心から前記第1エアギャップの縁に向かうにつれて大きくなり、
    前記第2エアギャップは、前記周方向における前記第2エアギャップの中心から前記第2エアギャップの縁に向かうにつれて大きくなる
    ブラシレスモータ。
  2. 前記ブラシレスモータは、インナーロータ型のブラシレスモータであり、
    前記第1対向面及び前記第2対向面のそれぞれは、前記径方向において前記回転軸から離れるように湾曲する曲面であり、
    前記マグネットロータの外周面の曲率半径に対する前記第1対向面の曲率半径の比率である第1曲率半径比と、前記マグネットロータの外周面の曲率半径に対する前記第2対向面の曲率半径の比率である第2曲率半径比とのそれぞれは、1よりも大きい
    請求項1に記載のブラシレスモータ。
  3. 前記第1曲率半径比及び前記第2曲率半径比のそれぞれは互いに等しく、かつ1.25以上かつ1.75以下である
    請求項2に記載のブラシレスモータ。
  4. 前記第1曲率半径比及び前記第2曲率半径比のそれぞれは、1.5である
    請求項3に記載のブラシレスモータ。
  5. 前記マグネットロータは、極異方性を有する
    請求項1〜4のいずれか一項に記載のブラシレスモータ。
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