JP2019161783A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】スキュー構造を備えたブラシレスモータにおいて、ロータのスラスト位置を安定させ、音や振動を抑制する。【解決手段】ブラシレスモータ２は、ステータ１１とスキュー構造を備えたロータ１２を有する。ロータ１２は、マグネット１７の磁極境界位置Ｐが回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部３１と第２スキュー部３２を有するＶスキュー構造となっている。マグネット１７の軸方向両端部には、ステータコア１４の軸方向端部からの延出量を互いに異にする第１オーバーハング部３３と第２オーバーハング部３４が設けられている。磁極境界位置Ｐの折り返し点Ｍ（屈折位置）は、マグネットの軸方向中心位置Ｃから、オーバーハング部のうちオーバーハング量ＯＨの大きい第２オーバーハング部３４側にオフセットした位置に配される。【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシレスモータに関し、特に、ウォームギヤ等による変速機構を備えた電動モータに関する。

従来より、ブラシレスモータ（以下、モータと略記する）のトルクリップルやコギングを低減する手段として、磁極の極性が切り替わる位置（磁極境界位置）を、軸方向に沿って回転方向にずらす、いわゆるスキュー構造が知られている。ところが、このようなスキュー構造のモータでは、磁極境界位置の傾斜に伴い、磁気的な吸引反発による回転力と共に、その軸方向成分によってスラスト力（回転軸延伸方向に沿った力：スラスト電磁力）が発生する。そこで、例えば、特許文献１のように、スキューの傾斜方向を軸方向に沿って切り替える、いわゆるＶスキュー着磁によりスラスト力を相殺する構成が提案されている。

特開２０１４−１０７９５１号公報

ところが、前述のＶスキュー着磁では、スラスト方向の力を相殺できる反面、モータ回転中、ロータのスラスト力がほとんどない状態となる。このため、ロータのスラスト位置が不安定となり、Ｖスキュー構造を有するモータでは、減速機構におけるギヤの噛み合い状態が不連続となるなど、スラスト力がないことが却って音や振動の発生要因となるという課題があった。また、スラスト電磁力は相殺されてほとんどなくなるものの、図７に示すように、残留分にリップルが存在するため、ロータ位置がさらに不安定となり音や振動が悪化する、という問題もあった。

本発明の目的は、スキュー構造を備えたブラシレスモータにおいて、ロータのスラスト位置を安定させ、音や振動を抑制することにある。

本発明のブラシレスモータは、ステータコアと、該ステータコアに巻装された巻線と、を備えるステータと、前記ステータの径方向内側に配置された回転軸と、該回転軸に固定され、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置が、前記回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有するマグネットと、を備えるロータと、を有するブラシレスモータであって、前記マグネットは、その軸方向両端部に、前記ステータコアの軸方向端部のそれぞれから軸方向に延出されたオーバーハング部を有し、該オーバーハング部は、前記ステータコアの軸方向端部に対するそれぞれの延出量を互いに異にし、前記スキュー構造は、前記磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部と第２スキュー部を有し、前記第１スキュー部と前記第２スキュー部の接続点は、前記マグネットの軸方向中心位置から、前記オーバーハング部のうち前記延出量の大きいオーバーハング部側に軸方向にオフセットした位置に配されることを特徴とする。

本発明の他のブラシレスモータは、ステータコアと、該ステータコアに巻装された巻線と、を備えるステータと、前記ステータの径方向内側に配置された回転軸と、該回転軸に固定され、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置が、前記回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有するマグネットと、を備えるロータと、を有するブラシレスモータであって、前記マグネットは、その軸方向一端部に、前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に延出されたオーバーハング部を有し、前記スキュー構造は、前記磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部と第２スキュー部を有し、前記第１スキュー部と前記第２スキュー部の接続点は、前記マグネットの軸方向中心位置から、前記オーバーハング部側に軸方向にオフセットした位置に配されることを特徴とする。

本発明にあっては、ロータのマグネット（ロータマグネット）における磁極境界位置の傾斜方向を軸方向に沿って切り替えるいわゆるＶスキュー構造を採用し、スラスト電磁力のバランスを取る一方で、マグネットの端部に軸方向に非対称なオーバーハング部を設ける。すなわち、マグネットの両端部に延出量（オーバーハング量）を異にするオーバーハング部を設けたり、マグネットの一端部のみにオーバーハング部を設けたりする。これにより、一定のスラスト電磁力が発生し、モータ回転中におけるロータのスラスト位置が安定する。その結果、減速機構におけるギヤの噛み合い状態が安定するなど、音や振動の発生が抑制される。また、Ｖスキュー構造における磁極境界位置の屈折位置を、マグネットの両端部にオーバーハング部がある場合には、オーバーハング量の大きい方の側、あるいは、一方にのみオーバーハング部がある場合には、オーバーハング部の存在する側に寄せる。これにより、スラスト電磁力のリップルを低減させることができ、ロータのスラスト位置をさらに安定し、音や振動がより効果的に抑制される。

本発明のブラシレスモータによれば、ロータマグネットの磁極境界位置が回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有するブラシレスモータにて、磁極境界位置の傾斜方向を軸方向に沿って切り替えるいわゆるＶスキュー構造を採用すると共に、マグネットの少なくとも一方の端部にオーバーハング部を設けることにより、モータ回転中におけるロータのスラスト位置が安定し、音や振動を抑制することが可能となる。また、Ｖスキュー構造における磁極境界位置の屈折位置を、マグネットの両端部にオーバーハング部がある場合には、オーバーハング量の大きい方の側、あるいは、一方にのみオーバーハング部がある場合には、オーバーハング部の存在する側に寄せることにより、スラスト電磁力のリップルを低減させることができ、ロータのスラスト位置をさらに安定させ、音や振動がより効果的に抑制することが可能となる。

本発明の一実施の形態であるモータユニットの構成を示す断面図である。 図１のモータユニットにおけるロータとステータの関係を示す説明図である。 非対称オーバーハングを設けた場合のスラスト電磁力と、オーバーハング部を設けない場合のスラスト電磁力を比較して示したグラフである。 マグネットのスキュー構造を示す説明図である。 Ｖスキュー着磁における屈折位置とスラスト電磁力の４次成分及び１２次成分との関係を示すグラフである。 スラスト電磁力のリップルを屈折位置ごとに比較して示したグラフである。 従来のモータにおけるスラスト電磁力の残留分に生じるリップル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、本発明の一実施の形態であるブラシレスモータを用いたモータユニット１の構成を示す断面図である。図１のモータユニット１は、ブラシレスモータ２（以下、モータ２と略記する）と、減速機構部（変速機構）３とから構成されており、例えば、自動車のサンルーフやワイパ装置、パワーウインド、パワーシートなどの駆動源として使用される。モータユニット１では、モータ２の回転軸４の回転は減速機構部３内にて変速され、出力軸５からユニット外に出力される。

モータ２はブラシレスモータであり、ステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置されたロータ１２とから構成されている。ステータ１１は、有底筒状のモータハウジング１３と、モータハウジング１３の内面に固定されたステータコア１４を備えている。ステータコア１４は、磁性体にて形成されたプレートを複数枚積層して形成され、軸方向に延びる複数（ここでは、６個）のスロット１５を有している。スロット１５内には、複数相の巻線を形成するコイル１６が巻装されている。ロータ１２は、回転軸４と、回転軸４に固定されたマグネット１７とを備えている。回転軸４の一端側は、モータハウジング１３の端部に配された軸受１８によって回転自在に支持されている。マグネット１７は、ネオジウムや、ジスプロシウム、サマリウムなどの希土類系の永久磁石であり、周方向に沿って極性が異なるように着磁されたリングマグネット（ここでは、４極着磁）が使用されている。

減速機構部３は、回転軸４に形成されたウォーム６と、ウォーム（駆動ギヤ）５と噛合するウォームホイール（被動ギヤ）６とから構成されており、合成樹脂やアルミダイカストにて形成されたギヤケース２１内に配されている。図１に示すように、ギヤケース２１には、モータハウジング１３の一端開口側が固定されている。モータ２の回転軸４はギヤケース２１内に延伸しており、回転軸４は、ギヤケース２１内に設けられたベアリング２２と軸受２３によって回転自在に支持されている。ウォームホイール７は出力軸５に固定されており、出力軸５は、ウォームホイール７と共に回転する。ウォーム６やウォームホイール７は、各歯面６ａ,７ａがスラスト方向Ｘ（回転軸４の延伸方向）とは平行ではなく、スラスト方向に対し傾斜している。

図２は、ロータ１２とステータ１１の関係を示す説明図である。図２に示すように、モータ２では、ロータ１２側のマグネット１７の軸方向長Ｌｍが、ステータ１１側のステータコア１４の軸方向長Ｌｃよりも長くなっている。そして、マグネット１７の軸方向両端部には、ステータコア１４と対向することなく軸方向に延出されたオーバーハング部（第１オーバーハング部３３,第２オーバーハング部３４）がそれぞれ設けられている。さらに、モータ２においては、第１オーバーハング部３３と第２オーバーハング部３４のオーバーハング量（延出量）ＯＨ１,ＯＨ２が異なっており、第２オーバーハング部３４のオーバーハング量ＯＨ２の方が大きくなっている（ＯＨ１＜ＯＨ２）。つまり、第１及び第２オーバーハング部３３,３４は軸方向に非対称に設けられている。

このように、第１及び第２オーバーハング部３３,３４のうち一方を大きく形成することにより、ロータ１２にはスラスト電磁力が常に一方向に発生する。図３は、非対称オーバーハングを設けた場合のスラスト電磁力と、オーバーハング部を設けない場合のスラスト電磁力を比較して示したグラフである。なお、図３における従来構造の波形をＹ軸方向にスケール拡大したものが図７の波形である。図３に示すように、オーバーハング部なしの場合はスラスト電磁力がほぼ０であるのに対し、モータ２のように非対称なオーバーハング部を設けたモータでは、常に一定方向に一定のスラスト電磁力が発生する。このため、モータ回転中におけるロータのスラスト位置が安定し、減速機構におけるギヤの噛み合い状態等が安定する。したがって、不連続なギヤの噛み合いなどによって生じる音や振動を抑制することが可能となる。

また、図２に示すように、モータ２では、マグネット１７の磁極境界線Ｐが、軸方向に沿って径方向にずれるスキュー着磁がなされている。図４は、マグネット１７におけるスキュー構造を示す説明図である。図２,４に示すように、マグネット１７では、磁極境界線Ｐの傾斜方向が軸方向に沿って切り替えられており、磁極境界線ＰがＶ字形に形成されている。すなわち、マグネット１７には、いわゆるＶスキュー着磁が施されており、軸方向沿って、傾斜方向の異なる第１スキュー部３１と第２スキュー部３２が設けられている。磁極境界線Ｐの始点Ｑ１と終点Ｑ２は、軸方向の同じ位置に存在しており、始点Ｑ１・終点Ｑ２と折り返し点Ｍとの間の周方向の角度θがスキュー角となっている。なお、点Ｑ１と点Ｑ２は、何れが始点でも終点でも良い。

第１スキュー部３１と第２スキュー部３２の接続点は、磁極境界線Ｐの折り返し点Ｍとなっている。折り返し点Ｍの位置（スキュー屈折位置：以下、屈折位置と称する）は、マグネット１７の軸方向の中心位置Ｃに対し、第２オーバーハング部３４寄りに偏倚量δだけずれた位置となっている。すなわち、磁極境界線Ｐの屈折位置は、マグネット１７の軸方向中心位置Ｃから第２オーバーハング部３４側にオフセットされた形となっており、第１スキュー部３１と第２スキュー部３２は、軸方向に沿って非対称に形成されている。したがって、第１スキュー部３１の軸方向長Ｌｓ１と、第２スキュー部３２の軸方向長Ｌｓ２は、オーバーハング量ＯＨが小さい側に位置する第１スキュー部３１の方が長くなっている（Ｌｓ１＞Ｌｓ２）。ここでは、両者の軸方向長の比Ｌｓ１：Ｌｓ２は、Ｌｓ１が大きく、Ｌｓ１：Ｌｓ２＝６.５：３.５に設定されている。

図５は、Ｖスキュー構造における磁極境界線Ｐの屈折位置（Ｌｓ１：Ｌｓ２）とスラスト電磁力の４次成分及び１２次成分との関係を示すグラフ、図６は、スラスト電磁力のリップル（回転角度（電気角）とスラスト電磁力との関係）を屈折位置ごとに比較して示したグラフである。なお、何れも４極６スロットモータにおいて、第１及び第２オーバーハング部３３,３４の各オーバーハング量ＯＨ１,ＯＨ２の比が１：２（ＯＨ１：ＯＨ２＝１：２の場合を示している。

図５に示すように、スラスト電磁力の４次成分は、Ｌｓ１：Ｌｓ２＝６：４〜７：３の範囲で低下し、６.５：３.５の場合が最も小さくなっている。また、スラスト電磁力の１２次成分も、屈折位置が６：４〜７：３の範囲が比較的低く、６.５：３.５の場合が最も小さくなっている。一方、図６に示すように、電磁力のリップルも、屈折位置が６：４、６.５：３.５、７：３の場合が他の比率の場合よりも小さく抑えられる。すなわち、スラスト電磁力のリップルを抑えるには、Ｖスキューの屈折位置を６：４〜７：３の範囲、好ましくは、６.５：３.５に設定することが好適である。これを受けて、本実施の形態のモータ２も、前述のようにＬｓ１：Ｌｓ２＝６.５：３.５に設定されている。

このように、Ｖスキュー構造を採用しつつ、磁極境界線Ｐの屈折位置を、大きい方の第２オーバーハング部３４側に寄せ、しかも、その位置をＬｓ１：Ｌｓ２＝６：４〜７：３に設定することにより、スラスト電磁力のリップル（スラスト振動）を低減することが可能になる。その結果、ウォーム等の減速機構における歯の噛み合い不連続などから生じる音や振動を抑えることが可能になる。

上述のように、本発明によるモータ２は、Ｖスキュー構造によりスラスト電磁力のバランスを取る一方で、非対称オーバーハング構造を採用することにより、常に一定のスラスト電磁力が発生させる。これにより、モータ回転中におけるロータのスラスト位置が安定し、音や振動を抑制することが可能となる。また、Ｖスキュー構造における磁極境界線Ｐの屈折位置を、大きい方のオーバーハング部側に寄せることにより、スラスト電磁力のリップルを低減させることができ、ロータのスラスト位置をさらに安定させることができ、音や振動をより効果的に抑制することが可能となる。

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、前述の実施形態では、マグネット１７の軸方向両端部にオーバーハング部３３,３４を設けた構成を示したが、マグネット１７の軸方向一端部にのみオーバーハング部を設けたブラシレスモータに本発明を適用することも可能である。この場合、磁極境界線Ｐの折り返し点Ｍ（屈折位置）は、オーバーハング部が存在する側にオフセットした位置に設けられ、オーバーハング部のない側のスキュー部（第１スキュー部）を、オーバーハング部のある側のスキュー部（第２スキュー部）よりも軸方向に長く形成する（Ｌｓ１＞Ｌｓ２）。そして、第１及び第２スキュー部の軸方向長の比Ｌｓ１：Ｌｓ２を、６：４〜７：３の範囲、好ましくは、６.５：３.５に設定する。

また、図２では、磁極境界線ＰのＮ側が凸、Ｓ側が凹となっているが、磁極境界線Ｐの傾斜方向はこの逆であっても良い。さらに、前述の実施形態では、マグネット１７にリングマグネットを用いた構成を示したが、セグメントマグネットを用いても良く、その場合、軸方向に沿って複数個のマグネットを径方向にずらしながら配置するいわゆるステップスキュー構造としても良い。

加えて、モータ２では、マグネット１７をステータコア１４に直接対向させるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構成としたが、ロータ側に鋼製のロータコアを設け、その内側にマグネットを埋設したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構成のモータにも本発明は適用可能である。なお、本発明において、マグネットが「回転軸に固定」されている、とは、回転軸に直接マグネットが固定されている形態のみならず、回転軸に取り付けたロータコア等の内部あるいは外周部など、ロータコア等を介して回転軸にマグネットを固定する形態も含んだ意味である。

本発明によるブラシレスモータは、自動車の車載モータのみならず、家電製品や産業機械等に使用される電動モータにも広く適用可能である。

１ モータユニット
２ ブラシレスモータ
３ 減速機構部
４ 回転軸
５ 出力軸
６ ウォーム（駆動ギヤ）
６ａ 歯面
７ ウォームホイール（被動ギヤ）
７ａ 歯面
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ モータハウジング
１４ ステータコア
１５ スロット
１６ コイル
１７ マグネット
１８ 軸受
２１ ギヤケース
２２ ベアリング
２３ 軸受
３１ 第１スキュー部
３２ 第２スキュー部
３３ 第１オーバーハング部
３４ 第２オーバーハング部
Ｃ マグネット軸方向中心位置
Ｌｍ マグネット軸方向長
Ｌｃ ステータコア軸方向長
Ｌｓ１ 第１スキュー軸方向長
Ｌｓ２ 第２スキュー軸方向長
Ｍ 磁極境界線の折り返し点
ＯＨ マグネットオーバーハング量
ＯＨ１ 第１オーバーハング部オーバーハング量
ＯＨ２ 第２オーバーハング部オーバーハング量
Ｐ 磁極境界線
Ｑ１ 磁極境界線の始点
Ｑ２ 磁極境界線の終点
Ｘ スラスト方向
δ ：偏倚量

Claims (2)

1. ステータコアと、該ステータコアに巻装された巻線と、を備えるステータと、
   前記ステータの径方向内側に配置された回転軸と、該回転軸に固定され、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置が、前記回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有するマグネットと、を備えるロータと、を有するブラシレスモータであって、
   前記マグネットは、その軸方向両端部に、前記ステータコアの軸方向端部のそれぞれから軸方向に延出されたオーバーハング部を有し、該オーバーハング部は、前記ステータコアの軸方向端部に対するそれぞれの延出量を互いに異にし、
   前記スキュー構造は、前記磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部と第２スキュー部を有し、
   前記第１スキュー部と前記第２スキュー部の接続点は、前記マグネットの軸方向中心位置から、前記オーバーハング部のうち前記延出量の大きいオーバーハング部側に軸方向にオフセットした位置に配されることを特徴とするブラシレスモータ。
2. ステータコアと、該ステータコアに巻装された巻線と、を備えるステータと、
   前記ステータの径方向内側に配置された回転軸と、該回転軸に固定され、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置が、前記回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有するマグネットと、を備えるロータと、を有するブラシレスモータであって、
   前記マグネットは、その軸方向一端部に、前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に延出されたオーバーハング部を有し、
   前記スキュー構造は、前記磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部と第２スキュー部を有し、
   前記第１スキュー部と前記第２スキュー部の接続点は、前記マグネットの軸方向中心位置から、前記オーバーハング部側に軸方向にオフセットした位置に配されることを特徴とするブラシレスモータ。

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