JP2021166450A - Brushless motor and brushless motor control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、2系統の界磁巻線を備えたブラシレスモータに関し、特に、12×n個のティースに対し、10×n個又は14×n個のマグネットを配したブラシレスモータに関する。 The present invention relates to a brushless motor having two field windings, and more particularly to a brushless motor in which 10 × n or 14 × n magnets are arranged for 12 × n teeth.
電動パワーステアリング用モータ等の車両用モータでは、小型高出力に加え、低トルクリップルや低コギング等の性能が求められている。このため、車両用モータにおいては、それらの達成手段の1つとして、従来より、モータを10極12スロットや14極12スロット構成とすることが行われている。また、自動車用等の車両用モータには、上記の性能のみならず高い安全性が求められている。そこで、かかるモータでは、従来は1系統のみであった機能を独立した多重系統とすることにより、ある系統が失陥しても、他の系統で機能を継続させる冗長性が重要になってきている。 Vehicle motors such as electric power steering motors are required to have low torque ripple and low cogging performance in addition to small size and high output. For this reason, in vehicle motors, as one of the means for achieving these goals, the motor has conventionally been configured to have a 10-pole 12-slot or a 14-pole 12-slot configuration. Further, vehicle motors for automobiles and the like are required to have not only the above performance but also high safety. Therefore, in such a motor, by changing the function of only one system to an independent multiple system, it is becoming important to have redundancy to continue the function in another system even if one system fails. There is.
図14は、従来の車両用(電動パワーステアリング装置用)モータの構成を示す説明図である。図14のブラシレスモータ51は、ステータ52と、ステータ52内に回転自在に配されたロータ53を備えている。ロータ53には、10個のマグネット54が取り付けられている。また、ステータ52には、径方向に沿ってティース55が突設されており、ブラシレスモータ51は、10極12スロット(以下、磁極数をP、スロット数をSとし、10P12Sのように略記する)構成となっている。各ティース55には、U,V,Wの3相の界磁巻線を形成するコイル56が巻装されている。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing a configuration of a conventional vehicle (for electric power steering device) motor. The
ブラシレスモータ51では、界磁巻線は2系統(A,B)に分かれて配されており、コイル56も各系統ごとに各相のものが設けられている(56AU:A系統・U相,56BU:B系統・U相など)。図中において、負記号(マイナス)のコイル56は、同系統・同相の記号なしのコイル56に対し、ティース55への巻回方向が逆方向になっていることを示している。このようなブラシレスモータ51では、A,B両系統の各相のコイル56が順次通電されることにより、マグネット54が励磁されたティース55に引き付けられ、ロータ53が回転する。その際、コイル56は異なる2つ系統からなるため、仮に一方の系統が故障した場合でも、他系統のコイルによりモータの動作は確保されるようになっている。
In the
しかしながら、図14のような構成のブラシレスモータの場合、機械角で180°対向する隣接した2つのティース同士が同じ相となる。すなわち、例えば、図14におけるコイル56AU,−56AU、コイル56BU,−56BU(図中で破線で囲んだ組み合わせ)が巻装されたティース55が同じ相になる。このため、コイル通電時に矢示方向の電磁加振力が加わり、ステータ52が円環2次の振動モードで楕円状に変形し、振動や騒音の一因となるという問題があった。特に、それがモータの固有振動数と共振した場合、大きな振動が発生してしまう可能性があった。
However, in the case of a brushless motor having a configuration as shown in FIG. 14, two adjacent teeth facing each other at a mechanical angle of 180 ° have the same phase. That is, for example, the
本発明の目的は、12×n個のティースに対し10×n個又は14×n個のマグネットを配したブラシレスモータにおける電磁加振力を低減させ、当該モータの振動や作動音を抑制することにある。 An object of the present invention is to reduce the electromagnetic excitation force in a brushless motor in which 10 × n or 14 × n magnets are arranged for 12 × n teeth, and to suppress vibration and operating noise of the motor. It is in.
本発明のブラシレスモータは、ステータと、前記ステータの径方向内側に配置されたロータと、を有し、前記ステータは、12×n個のティースと、該ティースに集中巻にて巻装された複数相のコイルと、を備え、前記ロータは、10×n個又は14×n個のマグネットを備え、前記コイルは、別系統として通電される2系統の界磁巻線を形成してなるブラシレスモータであって(nは正の整数)、同一相を形成する前記コイルをグループ化し、該コイルを電気角にて隣接又は重複する位置に設定し、該位置の前記コイルが巻装された前記ティースを、前記電気角に対応した機械角にて前記ステータに配置し、前記コイルを前記2系統に分割すると共に、前記2系統の前記界磁巻線は、所定の位相差にて通電されることを特徴とする。 The brushless motor of the present invention has a stator and a rotor arranged inside the stator in the radial direction, and the stator is wound with 12 × n teeth and a concentrated winding around the teeth. A brushless coil comprising a multi-phase coil, the rotor comprising 10 × n or 14 × n magnets, the coil forming two field windings that are energized as separate systems. The coil, which is a motor (n is a positive integer) and forms the same phase, is grouped, the coil is set at an adjacent or overlapping position by an electric angle, and the coil at that position is wound. The teeth are arranged on the stator at a mechanical angle corresponding to the electric angle, the coil is divided into the two systems, and the field windings of the two systems are energized with a predetermined phase difference. It is characterized by that.
本発明にあっては、2系統の界磁巻線を備えた(10P12S)×n又は(14P12S)×n構成のブラシレスモータにおいて、電気角にて隣接又は重複する形で同相のコイルを配置しつつ、該コイルが巻装されたティースを電気角に対応した機械角にて配置する。これにより、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならないようにティースが配設される。また、かかるティース配置を採用しつつ、2系統の同相コイルに対し所定の位相差にて通電を行い、同相の異なる系統のコイルによってティースに生じる誘起電圧のベクトルの角度差を補う。 In the present invention, in a brushless motor having a (10P12S) × n or (14P12S) × n configuration equipped with two field windings, coils having the same phase are arranged adjacent or overlapping at an electric angle. At the same time, the teeth around which the coil is wound are arranged at a mechanical angle corresponding to the electric angle. As a result, the teeth are arranged so that the two adjacent teeth facing each other at a mechanical angle of 180 ° are not in phase with each other. Further, while adopting such a teeth arrangement, the two in-phase coils are energized with a predetermined phase difference to compensate for the angular difference in the vector of the induced voltage generated in the teeth by the coils of different in-phase systems.
前記ブラシレスモータにおいて、前記ステータは12個のティースを備え、前記ロータは10個又は14個のマグネットを備え、前記コイルには3相の電流が通電され、前記ティースは、隣接する4個ずつを1つのグループとして同相の前記コイルが巻装され、同相内の4つの前記ティースの前記コイルは、隣接する2個ずつが前記界磁巻線の各系統に属し、2系統の前記界磁巻線には60°の位相差にて通電が行われるようにしても良い。 In the brushless motor, the stator has 12 teeth, the rotor has 10 or 14 magnets, the coil is energized with a three-phase current, and the teeth have four adjacent teeth. The coils of the same phase are wound as one group, and two adjacent coils of the teeth in the same phase belong to each system of the field windings, and two systems of the field windings are used. May be energized with a phase difference of 60 °.
また、前記ブラシレスモータにおいて、前記ステータは12個のティースを備え、前記ロータは10個又は14個のマグネットを備え、前記コイルには3相の電流が通電され、前記ティースは、隣接する該ティース同士が異相となるように前記コイルが巻装され、それぞれ異なる相に属する隣接する3つの前記ティースを1つのグループとしたとき、前記グループ内の隣接する2つの前記ティースの前記コイルは、前記2系統の前記界磁巻線のうちの一方の系統に属し、前記グループ内の残りの1個の前記ティースの前記コイルは前記2系統のうちの他方の系統に属し、2系統の前記界磁巻線には60°の位相差にて通電が行われるようにしても良い。 Further, in the brushless motor, the stator includes 12 teeth, the rotor includes 10 or 14 magnets, the coil is energized with a three-phase current, and the teeth are adjacent to the teeth. When the coils are wound so as to be out of phase with each other and the three adjacent teeth belonging to different phases are grouped into one group, the coils of the two adjacent teeth in the group are said to be the above 2. The coil of the remaining one of the teeth belongs to one of the field windings of the system, belongs to the other system of the two systems, and the field winding of the two systems. The wire may be energized with a phase difference of 60 °.
さらに、前記ブラシレスモータにおいて、前記ステータは12個のティースを備え、前記ロータは10個又は14個のマグネットを備え、前記コイルには3相の電流が通電され、前記ティースは、隣接する3個ずつを1つのグループとして同相の前記コイルが巻装され、隣接する前記グループの間に配された1個の前記ティースには、両側の前記グループとは異相の前記コイルが巻装され、前記グループ内の前記ティースの前記コイルは、隣接する2個が前記2系統の前記界磁巻線のうちの一方の系統に属し、前記グループ内の残りの1個と他相の前記グループの間に配された1個の前記ティースの前記コイルは前記2系統のうちの他方の系統に属し、2系統の前記界磁巻線には30°の位相差にて通電が行われるようにしても良い。 Further, in the brushless motor, the stator has 12 teeth, the rotor has 10 or 14 magnets, the coil is energized with a three-phase current, and the teeth have three adjacent teeth. The coils having the same phase are wound as one group, and the coils arranged between the adjacent groups are wound with the coils having a phase different from that of the groups on both sides. The coil of the tooth in the coil has two adjacent coils belonging to one of the two fields of the field winding, and is arranged between the remaining one in the group and the group of the other phase. The coil of one of the teeth belongs to the other system of the two systems, and the field windings of the two systems may be energized with a phase difference of 30 °.
一方、本発明のブラシレスモータ制御方法は、ステータと、前記ステータの径方向内側に配置されたロータと、を有し、前記ステータは、12×n個のティースと、該ティースに集中巻にて巻装された複数相のコイルと、を備え、前記ロータは、10×n個又は14×n個のマグネットを備え、前記コイルは、別系統として通電される2系統の界磁巻線を形成してなるブラシレスモータの制御方法であって(nは正の整数)、同一相を形成する前記コイルをグループ化し、該コイルを電気角にて隣接又は重複する位置に設定し、該位置の前記コイルが巻装された前記ティースを、前記電気角に対応した機械角にて前記ステータに配置し、前記コイルを前記2系統に分割し、前記2系統の前記界磁巻線に対し、所定の位相差にて通電を行うことを特徴とする。 On the other hand, the brushless motor control method of the present invention includes a stator and a rotor arranged radially inside the stator, and the stator has 12 × n teeth and a concentrated winding around the teeth. It comprises a wound multi-phase coil, the rotor comprises 10 × n or 14 × n magnets, and the coil forms two systems of field windings that are energized as separate systems. This is a method for controlling a brushless motor (n is a positive integer), in which the coils forming the same phase are grouped, the coils are set at adjacent or overlapping positions by electrical angle, and the above-mentioned positions are set. The teeth around which the coil is wound are arranged on the stator at a mechanical angle corresponding to the electric angle, the coil is divided into the two systems, and a predetermined value is provided for the field windings of the two systems. It is characterized by energizing with a phase difference.
本発明にあっては、2系統の界磁巻線を備えた(10P12S)×n又は(14P12S)×n構成のブラシレスモータにおいて、電気角にて隣接又は重複する形で同相のコイルを配置しつつ、該コイルが巻装されたティースを電気角に対応した機械角にて配置する。これにより、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならないようにティースが配設される。また、かかるティース配置を採用しつつ、2系統の同相コイルに対し所定の位相差にて通電を行い、同相の異なる系統のコイルによってティースに生じる誘起電圧のベクトルの角度差を補う。 In the present invention, in a brushless motor having a (10P12S) × n or (14P12S) × n configuration equipped with two field windings, coils having the same phase are arranged adjacent or overlapping at an electric angle. At the same time, the teeth around which the coil is wound are arranged at a mechanical angle corresponding to the electric angle. As a result, the teeth are arranged so that the two adjacent teeth facing each other at a mechanical angle of 180 ° are not in phase with each other. Further, while adopting such a teeth arrangement, the two in-phase coils are energized with a predetermined phase difference to compensate for the angular difference in the vector of the induced voltage generated in the teeth by the coils of different in-phase systems.
本発明のブラシレスモータによれば、2系統の界磁巻線を備えた(10P12S)×n又は(14P12S)×n構成のブラシレスモータにおいて、電気角にて隣接又は重複する形で同相のコイルを配置しつつ、該コイルが巻装されたティースを電気角に対応した機械角にて配置し、2系統の同相コイルに対し所定の位相差にて通電を行うようにしたので、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならないようにティースが配設され、さらに、同相の異なる系統のコイルによってティースに生じる誘起電圧のベクトルの角度差を補う形で通電を行うことが可能となる。このため、機械角で180°対向するティースが同時には励磁されることがなく、コイル通電時に径方向の電磁加振力が加わらず、モータの振動や騒音を抑えることが可能となる。 According to the brushless motor of the present invention, in a brushless motor having a (10P12S) × n or (14P12S) × n configuration having two field windings, coils having the same phase in an adjacent or overlapping manner at an electric angle are formed. While arranging, the teeth around which the coil was wound were arranged at a mechanical angle corresponding to the electric angle, and the two in-phase coils were energized with a predetermined phase difference, so that the mechanical angle was 180. ° The teeth are arranged so that the two adjacent teeth that face each other are not in phase, and further, it is possible to energize in a form that compensates for the angular difference in the vector of the induced voltage generated in the teeth by coils of different systems of the same phase. Therefore, the teeth facing 180 ° at the mechanical angle are not excited at the same time, and the electromagnetic excitation force in the radial direction is not applied when the coil is energized, so that the vibration and noise of the motor can be suppressed.
また、本発明のブラシレスモータ制御方法によれば、2系統の界磁巻線を備えた(10P12S)×n又は(14P12S)×n構成のブラシレスモータにおいて、電気角にて隣接又は重複する形で同相のコイルを配置しつつ、該コイルが巻装されたティースを電気角に対応した機械角にて配置し、2系統の同相コイルに対し所定の位相差にて通電を行うようにしたので、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならないようにティースが配設され、さらに、同相の異なる系統のコイルによってティースに生じる誘起電圧のベクトルの角度差を補う形で通電を行うことが可能となる。このため、機械角で180°対向するティースが同時には励磁されることがなく、コイル通電時に径方向の電磁加振力が加わらず、モータの振動や騒音を抑えることが可能となる。 Further, according to the brushless motor control method of the present invention, in a brushless motor having a (10P12S) × n or (14P12S) × n configuration provided with two field windings, they are adjacent to each other or overlap each other in terms of electrical angle. While arranging the in-phase coils, the teeth around which the coils were wound were arranged at the mechanical angle corresponding to the electric angle, and the two in-phase coils were energized with a predetermined phase difference. The teeth are arranged so that the two adjacent teeth facing each other by 180 ° at the mechanical angle are not in phase, and the energization is performed in a form that compensates for the angle difference of the induced voltage vector generated in the teeth by the coils of different systems of the same phase. It will be possible. Therefore, the teeth facing 180 ° at the mechanical angle are not excited at the same time, and the electromagnetic excitation force in the radial direction is not applied when the coil is energized, so that the vibration and noise of the motor can be suppressed.
(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)の構成を示す説明図である。図1に示すように、モータ1は、図14のモータ51と同様に、ステータ(固定子)2の内部にロータ(回転子)3を回転自在に配したインナーロータ型の構成となっており、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される。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of a brushless motor 1 (hereinafter, abbreviated as motor 1) according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
ステータ2は、鉄等にて形成された有底円筒形状のモータケース4の内側に、圧入や接着剤等の固定手段により固定されている。ステータ2は、ティース5を備えたステータコア6と、ティース5に集中巻にて巻装されたコイル7と、を有している。ステータコア6は、電磁鋼板等の薄板材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5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5の間にはスロット8が形成されており、ステータ2は12スロット構成となっている。
The
モータ1においても、コイル7によりU,V,Wの3相の界磁巻線が形成される。図14のモータ51と同様に、モータ1の界磁巻線も並列の2系統(A,B)に分かれて配されており、各コイル7は、別系統として通電される2系統の界磁巻線を形成している。そして、コイル7も各通電系統ごとに各相のものが設けられている(7AU:A系統・U相,7BU:B系統・U相など)。
Also in the
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(回転軸)9を有しており、図示しないベアリングによって回転自在に軸支されている。ロータ3は、磁性体にて形成された円柱状のロータコア11と、ロータコア11の外周に周方向に沿って等間隔に配設された複数個のマグネット12と、を備えている。ロータコア11もまた電磁鋼板等の薄板材を積層して形成されており、ロータシャフト9の外周に固定されている。マグネット12は略直方体状の永久磁石であり、径方向に沿って着磁され、隣接するマグネット12の極性が互いに異なるように配されている。マグネット12は、ここでは10個設けられており、ロータ3は10極構成となっている。マグネット12の外側には、飛散防止用のカバー13が取り付けられている。
A
ここで、モータ1では、隣接するティース5間の機械角は、360°/12=30°となる。一方、モータ1は10極構成であることから極対数は5となり、隣接するティース5間の電気角は、5(極対数)×30°(機械角)=150°となる。すなわち、図2(a)のように各ティース5に(1)〜(12)の番号を付したとき、例えば、(1)番のティース5aと(2)番のティース5bは、機械角では30°、電気角では150°の関係にあることになる。そこで、各コイル7に生じる誘起電圧を考え、それを円の中心から径方向外側に延びる矢印(ベクトル)で示すと、図2(b)に示すように、(1)番のティース5aを基準とした場合、そこから150°おきに(2)番、(3)番・・・という形で各ベクトルが配列される。
Here, in the
次に、図2(b)のベクトルを各位相ごとに分け、対向する一方側のグループのコイル7を逆方向に巻くと、逆巻きのコイル7が巻装されたティース5のベクトルは、図2(b)のベクトルとは逆方向を向く。このベクトルに負(−:マイナス)の記号を付してまとめたものが図2(c)であり、(7),(12),(3),(8),(4),(11)のベクトルを逆向きとし、それらを移動させて記載している。図2(c)では、120°位相を有するベクトル2方向が3グループ(U,V,W)にまとめられ、この形で巻線を設定すると、図14のように機械角で180°対向した隣接2ティースが同じ相となる界磁巻線が形成される。
Next, when the vector of FIG. 2B is divided for each phase and the
ところが、図14のような巻線形態を採用すると、前述のように、コイル通電時に対向方向の電磁加振力が加わり、振動や騒音の一因となるという問題がある。これに対し、本発明によるモータ1では、図3(a)に示すように、120°位相を有するベクトル4方向を3グループとする。図3(a),(b)はモータ1における相配置過程を示す説明図、(c)はモータ1の相配置を示す説明図である。ここでは、図2(b)のベクトルから、(1),(3),(5),(7),(9),(11)のベクトルをマイナスとし、隣接する4ベクトルを1グループとする。これを各相に割り付けてティース5に配置すると図3(b)のような形となり、さらに、それを2系統巻線(A,B)とすると、各ティース5、コイル7は図3(c)のような相配置となる。
However, when the winding form as shown in FIG. 14 is adopted, as described above, there is a problem that an electromagnetic excitation force in the opposite direction is applied when the coil is energized, which contributes to vibration and noise. On the other hand, in the
この場合、ティース5は、隣接する4個ずつを1つのグループとして同相のコイル7が巻装される。また、同相内の4つのティース5に巻装されたコイル7は、隣接する2個ずつが2系統の各系統に属している。すなわち、図3(c)に示すように、例えば(5)〜(8)番のティース5e〜5hは1つのグループを形成し、U相のコイル7AU,7BUが巻装される。その際、U相内の隣接する2個ずつのティース5g,5hとティース5e,5fには、それぞれ異なる系統A,Bに属するコイル7AU,7BUが巻装される。
In this case, the
図3(c)から明らかなように、このような巻線構成を採用することにより、モータ1では、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならない相配置となる。このため、コイル通電時に径方向の電磁加振力が加わり、ステータ2が円環2次の振動モードで楕円状に変形することがなく、モータの振動や騒音を抑えることが可能となる。また、12スロット構造の分割コアモータでは、通常、各分割コアのコイルとバスバー(図示せず)との結線の際に24ヶ所で溶接を行う必要があるが、モータ1のコイル配置は図3(c)のように、同相の2セグメントがペアになる。その結果、2セグメントを連続して巻線を施したユニットを用いることができ、溶接箇所を削減したり、バスバーの層数を減らしモータを軸短化したりするこが可能となる。
As is clear from FIG. 3C, by adopting such a winding configuration, the
一方、図3(c)のような巻線構成では、各相のベクトルはA,B2系統間で60°ずれた形となる。図4は、U相の誘起電圧ベクトルを示す説明図である。図4に示すように、U相では、A系統に(8)と−(7)の合成ベクトルVuaが生じ、B系統に(6)と−(5)の合成ベクトルVubが生じ、これらの合成ベクトルVua,Vubの間の角度は60°となる。 On the other hand, in the winding configuration as shown in FIG. 3C, the vectors of each phase are displaced by 60 ° between the A and B2 systems. FIG. 4 is an explanatory diagram showing a U-phase induced voltage vector. As shown in FIG. 4, in the U phase, the composite vector Vua of (8) and − (7) is generated in the A system, and the composite vector Vub of (6) and − (5) is generated in the B system, and these are synthesized. The angle between the vectors Vua and Vub is 60 °.
そこで、本発明によるモータ1では、両ベクトルの発生タイミングに合わせ、2系統の巻線(A,B)に対し、ベクトルの角度差と同じ60°の位相差にて通電を行う。これにより、各相は2系統の巻線がスムーズに順次励磁される。その際、モータ1においては、各相のティース5は、図3(c)から分かるように、同相のものが隣接しており、180°対向する隣接する2ティースが同じ相となることがない。このため、図14の構成のように、コイル通電時に対向方向の電磁加振力が加わらず、振動や騒音の発生が抑えられる。
Therefore, in the
図5は、ロータ回転角とトルクとの関係を従来のモータ(図14)と本発明によるモータにて比較した説明図、図6は、平均トルクとトルクリップルについてそれらを比較した説明図である。また、図7は、従来のモータ(図14)と本発明によるモータの電磁力による加振周波数応答解析結果を示す説明図であり、回転次数と加速度振幅の関係を示している。さらに、図8は、図7の結果から10次、50次、70次、71次の成分を取りだして比較した説明図である。この場合、図5,6は、ステータ外径56mm、ロータ外径28.5mm、マグネット;Nd-Fe-B焼結磁石、ステータ軸長35mm、巻線仕様:φ1.0mm×20ターン(2直列Y結線の2系統)、相電流14.1Arms(id=0A)の条件下での結果である。また、図7,8は、回転数1725rpm、相電流14.1Arms、測定点:ティース中央外側・ステータコア積厚中心・拘束なしのフリー状態での結果である。なお、図5〜8には、後述する実施の形態2,3の場合の結果も併せて記載されており、(a)は実施の形態1の場合、(b)は実施の形態2の場合、(c)は実施の形態3の場合、(p)は従来のモータの場合をそれぞれ示している。
FIG. 5 is an explanatory diagram comparing the relationship between the rotor rotation angle and torque between a conventional motor (FIG. 14) and the motor according to the present invention, and FIG. 6 is an explanatory diagram comparing them with respect to average torque and torque ripple. .. Further, FIG. 7 is an explanatory diagram showing the result of vibration frequency response analysis by the electromagnetic force of the conventional motor (FIG. 14) and the motor according to the present invention, and shows the relationship between the rotation order and the acceleration amplitude. Further, FIG. 8 is an explanatory diagram in which the 10th, 50th, 70th, and 71st order components are extracted from the results of FIG. 7 and compared. In this case, FIGS. 5 and 6 show the stator
図5,6に示すように、トルクやトルクリップルに関しては、トルクリップルはモータ1の方が若干低いものの、両者とも従来のモータと当該モータ1はほぼ同等であった(図5においては、当該モータと従来のモータとほとんど同じであり、グラフ上では区別できない)。次に、加速度振幅に関しては、図7,8に示すように、モータ1は、50次、71次の加速度振幅が従来よりも小さい。特に、71次は大幅に低減されており、ステータの共振が小さく抑えられている。図7,8の加速度振幅は、モータ振動の代替特性とも言え、その解析結果から、モータ1は、振動や作動音が従来のモータよりも低減されることが分かる。
As shown in FIGS. 5 and 6, the torque ripple of the
このように、本発明によるモータ1は、2系統の界磁巻線を備えた10P12S構成のブラシレスモータにおいて、電気角にて隣接する形で同相のティース5とコイル7を配置しつつ、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならないようにティース5を配設する。そして、2系統の同相のコイル7に対し、同相の異なる系統のコイル7によってティース5に生じる誘起電圧のベクトルの角度差に対応した位相差にて通電を行う。
As described above, the
この2系統の位相差通電により、モータ1では、2系統の各相コイルが誘起電圧ベクトルの角度差に応じて順次円滑に励磁され、その際、機械角で180°対向するティース5が同時には励磁されない。このため、コイル通電時に径方向の電磁加振力が加わらず、モータの振動や騒音を抑えることが可能となる。したがって、パワーステアリング装置の駆動源として当該モータ1を用いたとき、モータ1からハンドルを介して運転者に伝わる振動や、操舵時のモータ作動音などが抑えられ、操舵フィーリングの向上が図られる。
By the phase difference energization of these two systems, in the
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2であるブラシレスモータ21(以下、モータ21と略記する)について説明する。モータ21の基本構成は前述のモータ1と同様であるが、ティース5とコイル7の相配置が実施の形態1とは異なっている。なお、実施の形態1のモータ1と同様の部分、部材については同一の符号を付し、その説明は省略する。
(Embodiment 2)
Next, the brushless motor 21 (hereinafter, abbreviated as motor 21) according to the second embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of the motor 21 is the same as that of the
図9(a),(b)はモータ21における相配置過程を示す説明図、(c)はモータ21の構成を示す説明図である。ここでは、図2(b)のベクトルから、例えば、(1),(6),(8),(11)を同位相として、隣接する4ベクトルを1グループとする。そして、これにより、120°の位相を有するベクトル4方向の3グループを形成する。これを各相に割り付けてティース5に配置すると図9(b)のような形となり、さらに、それを2系統巻線(A,B)とすると、各ティース5、コイル7は図9(c)のような相配置になる。
9 (a) and 9 (b) are explanatory views showing the phase arrangement process in the motor 21, and FIG. 9 (c) is an explanatory view showing the configuration of the motor 21. Here, from the vectors of FIG. 2B, for example, (1), (6), (8), and (11) are in phase, and four adjacent vectors are grouped. As a result, three groups in four vector directions having a phase of 120 ° are formed. When this is assigned to each phase and arranged on the
この場合、ティース5は、隣接するティース同士が異相となるようにコイル7が巻装される。また、それぞれ異なる相に属する隣接する3つのティース5を1つのグループとしたとき、このグループ内の隣接する2つのティース5のコイル7は、2系統の界磁巻線A,Bのうちの一方の系統に属し、グループ内の残りの1個のティース5のコイル7は2系統のうちの他方の系統に属している。
In this case, the
すなわち、図9(c)に示すように、例えば(1)〜(3)番のティース5a〜5cは、それぞれ異なる相U,V,Wのコイル7が巻装される。また、それぞれ異なる相U,V,Wに属する隣接する3つのティース5a,5b,5cなどを1つのグループとしたとき、このグループ内の隣接する2つのティース5b,5cのコイル7は、2系統の界磁巻線A,Bのうちの一方の系統Aに属し(7AV,7AW)、グループ内の残りの1個のティース5aのコイル7は2系統のうちの他方の系統Bに属している(7BU)。
That is, as shown in FIG. 9C, for example, the
図9(c)から明らかなように、このような巻線構成を採用することにより、モータ21では、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならない相配置となる。このため、コイル通電時に径方向の電磁加振力が加わり、ステータ2が円環2次の振動モードで楕円状に変形することがなく、モータの振動や騒音を抑えることが可能となる。
As is clear from FIG. 9C, by adopting such a winding configuration, the motor 21 has a phase arrangement in which two adjacent teeth facing each other at a mechanical angle of 180 ° are not in phase with each other. Therefore, an electromagnetic excitation force in the radial direction is applied when the coil is energized, and the
図10に示すように、図9(c)のような巻線構成においても、各相のベクトルはA,Bの2系統間で60°ずれた形となる。すなわち、例えばU相では、A系統に(1)と(8)の合成ベクトルVuaが生じ、B系統に(6)と(11)の合成ベクトルVubが生じ、これらの合成ベクトルVua,Vubの間の角度は60°となる。そこで、前述同様、モータ21においても、2系統の巻線(A,B)に60°の位相差で通電を行い、両ベクトルの発生時期を同期させる。これにより、各相は2系統の巻線が位相差なく励磁される。この場合も、モータ21においては、各相のティース5は、図9(c)から分かるように、同相のものが隣接しており、180°対向する隣接する2ティースが同じ相となることがない。このため、図14の構成のように、コイル通電時に対向方向の電磁加振力が加わらず、振動や騒音の発生が抑えられる。
As shown in FIG. 10, even in the winding configuration as shown in FIG. 9C, the vector of each phase is shifted by 60 ° between the two systems A and B. That is, for example, in the U phase, the composite vector Vua of (1) and (8) is generated in the A system, the composite vector Vub of (6) and (11) is generated in the B system, and between these composite vectors Vua and Vub. The angle of is 60 °. Therefore, as described above, also in the motor 21, the windings (A, B) of the two systems are energized with a phase difference of 60 ° to synchronize the generation times of both vectors. As a result, in each phase, the windings of the two systems are excited without any phase difference. Also in this case, in the motor 21, as can be seen from FIG. 9C, the
図5,6に示すように、モータ21においても、トルクやトルクリップルに関しては、トルクリップルはモータ21の方が若干低いものの、従来のモータと当該モータはほぼ同等であった。一方、加速度振幅に関しては、図7,8に示すように、モータ21は、50次、71次の加速度振幅が従来よりも小さい。この場合も、特に71次は大幅に低減されており、ステータの共振が小さく抑えられ、振動や作動音が従来のモータよりも低減される。したがって、モータ21からハンドルを介して運転者に伝わる振動や、操舵時のモータ作動音などが抑えられ、操舵フィーリングの向上が図られる。 As shown in FIGS. 5 and 6, also in the motor 21, although the torque ripple is slightly lower in the motor 21 in terms of torque and torque ripple, the conventional motor and the motor are almost the same. On the other hand, regarding the acceleration amplitude, as shown in FIGS. 7 and 8, the acceleration amplitude of the 50th and 71st orders of the motor 21 is smaller than that of the conventional motor 21. In this case as well, the 71st order is significantly reduced, the resonance of the stator is suppressed to a small value, and vibration and operating noise are reduced as compared with the conventional motor. Therefore, vibration transmitted from the motor 21 to the driver via the steering wheel, motor operating noise during steering, and the like are suppressed, and the steering feeling is improved.
(実施の形態3)
さらに、本発明の実施の形態3であるブラシレスモータ31(以下、モータ31と略記する)について説明する。モータ31の基本構成も前述のモータ1と同様であるが、ティース5とコイル7の相配置が実施の形態1,2と異なっている。図11(a),(b)はモータ31における相配置過程を示す説明図、(c)はモータ31の構成を示す説明図である。ここでは、図2(b)のベクトルから、例えば、(1),(6),−(7),(8)を同位相として、隣接・重複する4ベクトルを1グループとする。そして、これにより、120°の位相を有するベクトル3方向の3グループを形成する。これを各相に割り付けてティース5に配置すると図11(b)のような形となり、さらに、それを2系統巻線(A,B)とすると、各ティース5、コイル7は図11(c)のような相配置になる。
(Embodiment 3)
Further, a brushless motor 31 (hereinafter, abbreviated as motor 31) according to the third embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of the motor 31 is the same as that of the
この場合、ティース5は、隣接する3個ずつを1つのグループとして同相のコイル7が巻装される。また、隣接するグループ間に配された1個のティース5には、両側のグループとは異相のコイル7が巻装される。その上で各グループ内のティース5のコイル7は、隣接する2個が2系統の界磁巻線A,Bのうちの一方の系統に属し、グループ内の残りの1個と他相のグループの間に配された1個のティース5の7コイルは2系統のうちの他方の系統に属している。
In this case, the
すなわち、図11(c)に示すように、例えば、隣接する3個の(6)〜(8)番のティース5f〜5hは、1つのグループGuとしてU相のコイル7が巻装される。また、V相のグループGvとW相のグループGwの隣接する2グループ間に配された1個のティース5aには、両側のグループGv,Gwとは異相のコイル7が巻装される。その上でグループGu内の隣接する2個のティース5g,5hのコイル7は、2系統の界磁巻線A,Bのうちの一方の系統Aに属し(コイル7AU)、グループGu内の残りの1個のティース5fとグループGv,Gw間に配された1個のティース5aのコイル7は2系統のうちの他方の系統Bに属している(コイル7BU)。
That is, as shown in FIG. 11 (c), for example, the
図11(c)から明らかなように、このような巻線構成を採用することにより、モータ31では、機械角で180°対向する隣接2ティースが同相にならない相配置となる。このため、コイル通電時に径方向の電磁加振力が加わり、ステータ2が円環2次の振動モードで楕円状に変形することがなく、モータの振動や騒音を抑えることが可能となる。
As is clear from FIG. 11C, by adopting such a winding configuration, the motor 31 has a phase arrangement in which two adjacent teeth facing each other at a mechanical angle of 180 ° are not in phase with each other. Therefore, an electromagnetic excitation force in the radial direction is applied when the coil is energized, and the
図12に示すように、図11(c)のような巻線構成では、各相のベクトルはA,B2系統間で30°ずれた形となる。すなわち、例えばU相では、A系統に(8)と−(7)の合成ベクトルVuaが生じ、B系統に(1)と(6)の合成ベクトルVubが生じ、これらの合成ベクトルVua,Vubの間の角度は30°となる。そこで、この場合は、2系統の巻線(A,B)に30°の位相差で通電を行い、両ベクトルの発生時期を同期させる。これにより、各相は2系統の巻線が位相差なく励磁される。この場合も、モータ31においては、各相のティース5は、図11(c)から分かるように、同相のものが隣接しており、180°対向する隣接する2ティースが同じ相となることがない。このため、図14の構成のように、コイル通電時に対向方向の電磁加振力が加わらず、振動や騒音の発生が抑えられる。
As shown in FIG. 12, in the winding configuration as shown in FIG. 11C, the vectors of the respective phases are displaced by 30 ° between the A and B2 systems. That is, for example, in the U phase, the composite vector Vua of (8) and − (7) is generated in the A system, the composite vector Vub of (1) and (6) is generated in the B system, and the composite vectors Vua and Vub of these are generated. The angle between them is 30 °. Therefore, in this case, the windings (A, B) of the two systems are energized with a phase difference of 30 ° to synchronize the generation times of both vectors. As a result, in each phase, the windings of the two systems are excited without any phase difference. Also in this case, in the motor 31, as can be seen from FIG. 11C, the
図5,6に示すように、モータ31の平均トルクは従来のモータとほぼ同等であるが、トルクリップルに関しては、モータ31では約8.2%低くなった。一方、加速度振幅に関しては、図7,8に示すように、モータ31は、10次、50次、71次の加速度振幅は従来よりも小さい。ただし、70次成分は従来よりも大きくなった。この場合、70次成分は大きいが、他の3成分が小さくなっているため、総合的にはモータ31の方が加速度振幅は小さくなり、振動や作動音が従来のモータよりも低減される。したがって、モータ31からハンドルを介して運転者に伝わる振動や、操舵時のモータ作動音などが抑えられ、操舵フィーリングの向上が図られる。 As shown in FIGS. 5 and 6, the average torque of the motor 31 is almost the same as that of the conventional motor, but the torque ripple of the motor 31 is about 8.2% lower. On the other hand, regarding the acceleration amplitude, as shown in FIGS. 7 and 8, the acceleration amplitudes of the 10th, 50th, and 71st orders of the motor 31 are smaller than those of the conventional ones. However, the 70th-order component is larger than before. In this case, the 70th-order component is large, but the other three components are small. Therefore, the motor 31 has a smaller acceleration amplitude as a whole, and vibration and operating noise are reduced as compared with the conventional motor. Therefore, vibration transmitted from the motor 31 to the driver via the steering wheel, motor operating noise during steering, and the like are suppressed, and the steering feeling is improved.
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、前述のブラシレスモータにおける極スロット数は一例であり、10P12S構成以外のモータにも本発明は適用可能である。すなわち、図13のような14P12Sのブラシレスモータ41にも同様の相配置にて適用可能である。図13において、(a)は実施の形態1、(b)は実施の形態2、(c)は実施の形態3にそれぞれ対応した配置である。さらに、10P12S×n(20P24S、30P36S・・・)や、14P12S×n(28P24S、42P36S・・・)にも適用可能である(nは正の整数)。また、図5〜8では、Y結線のモータにて諸値の解析を行っているが、本発明によるブラシレスモータはΔ結線のモータであっても良い。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof.
For example, the number of pole slots in the brushless motor described above is an example, and the present invention can be applied to motors other than the 10P12S configuration. That is, it can be applied to the brushless motor 41 of 14P12S as shown in FIG. 13 in the same phase arrangement. In FIG. 13, (a) is an arrangement corresponding to the first embodiment, (b) is an arrangement corresponding to the second embodiment, and (c) is an arrangement corresponding to the third embodiment. Further, it is also applicable to 10P12S × n (20P24S, 30P36S ...) And 14P12S × n (28P24S, 42P36S ...) (n is a positive integer). Further, in FIGS. 5 to 8, various values are analyzed by the Y-connected motor, but the brushless motor according to the present invention may be a Δ-connected motor.
本発明は、電動パワーステアリング装置用のモータのみならず、2系統の界磁巻線を備えたブラシレスモータに広く適用可能であり、ステアリングやブレーキなどのバイワイヤシステム用のモータなどにも適用可能である。 The present invention can be widely applied not only to motors for electric power steering devices but also to brushless motors equipped with two field windings, and can also be applied to motors for bi-wire systems such as steering and brakes. be.
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 ティース
5a〜5l (1)番〜(12)番ティース
6 ステータコア
7 コイル
7AU U相A系統のコイル
7BU U相B系統のコイル
8 スロット
9 ロータシャフト
11 ロータコア
12 マグネット
13 カバー
21 ブラシレスモータ
31 ブラシレスモータ
41 ブラシレスモータ
51 ブラシレスモータ
52 ステータ
53 ロータ
54 マグネット
55 ティース
56 コイル
56AU U相A系統のコイル
56BU U相B系統のコイル
A 界磁巻線の第1の系統
B 界磁巻線の第2の系統
Gu U相のティースグループ
Gv V相のティースグループ
Gw W相のティースグループ
Vua U相の誘起電圧合成ベクトル(A系統)
Vub U相の誘起電圧合成ベクトル(B系統)
1
Vub U phase induced voltage synthesis vector (B system)
Claims (5)
前記ステータは、12×n個のティースと、該ティースに集中巻にて巻装された複数相のコイルと、を備え、
前記ロータは、10×n個又は14×n個のマグネットを備え、
前記コイルは、別系統として通電される2系統の界磁巻線を形成してなるブラシレスモータであって(nは正の整数)、
同一相を形成する前記コイルをグループ化し、該コイルを電気角にて隣接又は重複する位置に設定し、
該位置の前記コイルが巻装された前記ティースを、前記電気角に対応した機械角にて前記ステータに配置し、
前記コイルを前記2系統に分割すると共に、前記2系統の前記界磁巻線は、所定の位相差にて通電されることを特徴とするブラシレスモータ。 It has a stator and a rotor arranged radially inside the stator.
The stator comprises 12 × n teeth and a multi-phase coil wound around the teeth in a concentrated winding.
The rotor includes 10 × n or 14 × n magnets.
The coil is a brushless motor formed by forming two field windings that are energized as separate systems (n is a positive integer).
The coils forming the same phase are grouped, and the coils are set at adjacent or overlapping positions in terms of electrical angle.
The teeth around which the coil at the position is wound are arranged on the stator at a mechanical angle corresponding to the electric angle.
A brushless motor characterized in that the coil is divided into the two systems and the field windings of the two systems are energized with a predetermined phase difference.
前記ステータは12個のティースを備え、前記ロータは10個又は14個のマグネットを備え、前記コイルには3相の電流が通電され、
前記ティースは、隣接する4個ずつを1つのグループとして同相の前記コイルが巻装され、
同相内の4つの前記ティースの前記コイルは、隣接する2個ずつが前記界磁巻線の各系統に属し、
2系統の前記界磁巻線には60°の位相差にて通電が行われることを特徴とするブラシレスモータ。 In the brushless motor according to claim 1,
The stator has 12 teeth, the rotor has 10 or 14 magnets, and the coil is energized with a three-phase current.
The teeth are wound with the coils having the same phase in groups of four adjacent ones.
Two adjacent coils of the four teeth in the same phase belong to each system of the field winding.
A brushless motor characterized in that two systems of field windings are energized with a phase difference of 60 °.
前記ステータは12個のティースを備え、前記ロータは10個又は14個のマグネットを備え、前記コイルには3相の電流が通電され、
前記ティースは、隣接する該ティース同士が異相となるように前記コイルが巻装され、
それぞれ異なる相に属する隣接する3つの前記ティースを1つのグループとしたとき、前記グループ内の隣接する2つの前記ティースの前記コイルは、前記2系統の前記界磁巻線のうちの一方の系統に属し、前記グループ内の残りの1個の前記ティースの前記コイルは前記2系統のうちの他方の系統に属し、
2系統の前記界磁巻線には60°の位相差にて通電が行われることを特徴とするブラシレスモータ。 In the brushless motor according to claim 1,
The stator has 12 teeth, the rotor has 10 or 14 magnets, and the coil is energized with a three-phase current.
The coil is wound around the teeth so that the adjacent teeth are out of phase with each other.
When three adjacent teeth belonging to different phases are grouped into one group, the coils of the two adjacent teeth in the group are in one of the two field windings. The coil of the remaining one of the teeth in the group belongs to the other of the two systems.
A brushless motor characterized in that two systems of field windings are energized with a phase difference of 60 °.
前記ステータは12個のティースを備え、前記ロータは10個又は14個のマグネットを備え、前記コイルには3相の電流が通電され、
前記ティースは、隣接する3個ずつを1つのグループとして同相の前記コイルが巻装され、隣接する前記グループの間に配された1個の前記ティースには、両側の前記グループとは異相の前記コイルが巻装され、
前記グループ内の前記ティースの前記コイルは、隣接する2個が前記2系統の前記界磁巻線のうちの一方の系統に属し、前記グループ内の残りの1個と他相の前記グループの間に配された1個の前記ティースの前記コイルは前記2系統のうちの他方の系統に属し、
2系統の前記界磁巻線には30°の位相差にて通電が行われることを特徴とするブラシレスモータ。 In the brushless motor according to claim 1,
The stator has 12 teeth, the rotor has 10 or 14 magnets, and the coil is energized with a three-phase current.
In the teeth, the coils having the same phase are wound around three adjacent groups as one group, and one of the teeth arranged between the adjacent groups has a phase different from that of the group on both sides. The coil is wound and
Two adjacent coils of the teeth in the group belong to one of the two fields of the field windings and are between the remaining one in the group and the group in another phase. The coil of one of the teeth arranged in the above belongs to the other system of the two systems.
A brushless motor characterized in that two systems of field windings are energized with a phase difference of 30 °.
前記ステータは、12×n個のティースと、該ティースに集中巻にて巻装された複数相のコイルと、を備え、
前記ロータは、10×n個又は14×n個のマグネットを備え、
前記コイルは、別系統として通電される2系統の界磁巻線を形成してなるブラシレスモータの制御方法であって(nは正の整数)、
同一相を形成する前記コイルをグループ化し、該コイルを電気角にて隣接又は重複する位置に設定し、
該位置の前記コイルが巻装された前記ティースを、前記電気角に対応した機械角にて前記ステータに配置し、
前記コイルを前記2系統に分割し、
前記2系統の前記界磁巻線に対し、所定の位相差にて通電を行うことを特徴とするブラシレスモータ制御方法。 It has a stator and a rotor arranged radially inside the stator.
The stator comprises 12 × n teeth and a multi-phase coil wound around the teeth in a concentrated winding.
The rotor includes 10 × n or 14 × n magnets.
The coil is a control method for a brushless motor that forms two field windings that are energized as separate systems (n is a positive integer).
The coils forming the same phase are grouped, and the coils are set at adjacent or overlapping positions in terms of electrical angle.
The teeth around which the coil at the position is wound are arranged on the stator at a mechanical angle corresponding to the electric angle.
The coil is divided into the two systems,
A brushless motor control method characterized in that the field windings of the two systems are energized with a predetermined phase difference.
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