JP4797331B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、機器の駆動源に使用されるブラシレスモータに関する。

現在、映像・音響機器、ＯＡ機器、家電機器、輸送用機器、ＦＡ機器等さまざまな機器に、駆動源としてモータが用いられている。これらの機器は、機器の高機能化に伴い、使われるモータの個数は年々増加する傾向にある。また、モータの性能についても近年、機器の小型化、高機能化によって小型でかつ高出力なモータが望まれている。

この様な要望に対し、モータの小型化、高出力化を実現する方法として、従来から各種の提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。

図９は従来例のブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図である。

上記従来例のモータの高性能化原理を簡単に説明する。コア３の突極先端部に複数の小歯６を設けることによりコア３を擬似的に多極化し、コア３の突極数を増加させないまま永久磁石１の磁極数のみを増加させることにより、コイル抵抗を増大させることなく、モータのトルク定数を大きくする技術を提案している。
特開２００３−６１３２６号公報

しかしながら、従来例のモータにおいては、同一サイズにおける出力トルクの向上及びコギングトルクの低減という点で、より高性能化を図るために課題を有していた。

本発明は、従来例のモータの構造を改良し、同一サイズでのモータの出力トルクの向上、コギングトルクの低減および駆動回路のコストアップ防止を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本件出願に係る第１の発明のブラシレスモータは、回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向して磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極のマグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられ、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するブラシレスモータにおいて、前記マグネット体の磁極数をｐ、前記コアの突極数を１２ｚ、但し、ｚ＝１とし、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、下記の式１の関係を満足し、前記マグネット体は、単極着磁した短冊状の永久磁石を回転方向にＮ極Ｓ極交互に接着固定して構成され、前記突極に＋Ｕ、−Ｕ、−Ｗ、＋Ｗ、＋Ｖ、−Ｖ、−Ｕ、＋Ｕ、＋Ｗ、−Ｗ、−Ｖ、＋Ｖの順にコイルを巻回してＹ結線し、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相で１２０°矩形波通電することを特徴とする。

本発明のブラシレスモータによれば、突極数、磁極数等が限定される為、適用できる範囲は狭いものの、磁束の３次高調波成分を有効にトルクに変換することができるため、同一サイズ、質量でもより高出力なモータを提供できる。

また３相通電を行うことより、モータおよび駆動回路のコストアップを防ぐことができる。

さらに、コア形状を工夫することにより一段とコギングトルクの小さいモータを提供できる。

回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向して磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極のマグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられ、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するするブラシレスモータにおいて、前記マグネット体の磁極数をｐ、前記コアの突極数を１２ｚ、但し、ｚ＝１とし、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、下記の式１の関係を満足するものである。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

図１は本実施例１のブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図である。

図１において、ロータヨーク２内周部には、単極着磁された短冊状の永久磁石１がＮ極、Ｓ極を交互に３８個接着固定されている。内周部には前記永久磁石１とラジアル方向に対向し磁気回路を構成するコア３を有し、前記コア３の突極５の前記永久磁石と対向する部分には、小歯６が２個づつ設けられている。

図１に示す本発明のモータの様な磁極数３８、突極数１２の磁気回路構成の場合、本来は図２に示すように＋Ｕ、−Ｖ、＋Ｗ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｚ、−Ｕ、＋Ｖ、−Ｗ、＋Ｘ、−Ｙ、＋Ｚという形に６相のコイルを巻回し、３０°づつ位相がずれた６相電流を通電すれば最も理想的な状態で駆動できるが、このように通電する電流の相数を増やすと（１）コイルの結線が複雑になる。（２）駆動回路が複雑になる等の要因によりモータや駆動回路のコストアップ要因となってしまう。

そこで、本実施例１の場合＋Ｕ、−Ｕ、−Ｗ、＋Ｗ、＋Ｖ、−Ｖ、−Ｕ、＋Ｕ、＋Ｗ、−Ｗ、−Ｖ、＋Ｖの順でコイルを巻回し、１２０°づつ位相のずれたＵ、Ｖ、Ｗの３相通電を行なうことにより、通常の３相モータに対するコストアップを防ぐことができる。

このように各コイルに通電する電流を理想的な位相から若干ずらして通電する様に設定すると、トルク発生に寄与しない無効磁束が発生する。あるいはコア、永久磁石間の吸引力が不均一になり、コアの振動が大きくなるといった悪影響が起きることもあるが、トータルとしてモータの特性を向上できる場合がある。

以下この理由に付いて具体的に説明する。

図３は従来の技術で設計されたブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図である。

図１と図３を比較すると何れも突極の数は１２極、１つの突極に設けられた小歯の数２個と等しいものの、第１に図１では磁極数が３８極なのに対し、図３では４０極となっているところ、第２に図１ではコイルが＋Ｕ、−Ｕ、−Ｗ、＋Ｗ、＋Ｖ、−Ｖ、−Ｕ、＋Ｕ、＋Ｗ、−Ｗ、−Ｖ、＋Ｖと変則的な順番で巻回されており、巻き方向も反転している部分があるのに対し、図３ではＵ、Ｗ、Ｖと単純な順番で巻回されており、巻き方向も一定となっているところが異なっている。

図４（ａ）（ｂ）は両ブラシレスモータの１相あたりの誘起電圧波形を磁界解析により求めた図である。

図４（ａ）は電気角３６０°分の誘起電圧波形を示した図、図４（ｂ）はそれらの波形の周波数分析を行った結果である。
図４（ａ）において本発明のモータの誘起電圧波形は、最大値付近が平坦に近い台形波状の波形なのに対し、従来型モータの誘起電圧波形は若干歪んでいるもののより正弦波に近い波形を示している。

それらを周波数分析すると図４（ｂ）に示したとおり、本発明のモータの誘起電圧波形には従来型モータでは含まれていなかった３次高調波が含まれた波形となっていることが分かる。

この理由について簡単に説明する。

誘起電圧波形に３次高調波が含まれるかどうかは突極５のコイル４が巻回された部分に磁極の磁束の３次成分が入射するかどうかを考えると分かり易い。

本発明のモータでは、必ず電気位相が逆相（１８０°位相が異なる状態）となっている突極が存在する為、３次成分の磁束も問題なく突極に入射する。

一方従来型モータの場合突極の電気位相が１２０°づつずれた突極しか存在しない為、３次成分では１２０°×３＝３６０°ずれのとなり同位相となるため、３次成分の磁束は突極５のコイル４が巻回された部分に入射することができず、誘起電圧に３次成分が発生しないと説明できる。

この３次成分の磁束は絶対値としては大きくないものの、本発明のモータでは３次成分の磁束を有効活用することにより若干ながらトルクを向上することができる。

図１及び図３のモータを全く同一条件で磁界解析を行なった結果、図１に示す本発明のモータでは図３に示す従来型モータに対し正弦波通電の場合は殆んどトルクは向上しなかったものの、１２０°矩形波通電の場合約３％のトルク向上が確認できた。

また、本発明のモータの誘起電圧波形は最大値付近が平坦に近い台形波状の波形となっているため、ブラシレスモータとして最も単純な１２０°矩形波通電においてもトルクリップルが少なく安定した回転が可能となる。
以上は、本発明のモータの出力トルクでの優位性について説明したが、本発明のモータは、従来型モータに対しコギングトルクの面でも優位性がある。

図１に示す本発明のモータでは、磁極数は３８で突極数は１２であるため基本的にはコギングトルクは３８と１２の最小公倍数である１回転に２２８回の繰り返し波形となる。一方図３に示す従来型モータでは、磁極数は４０で突極数は１２であるため基本的にはコギングトルクは４０と１２の最小公倍数である１回転に１２０回の繰り返し波形となる。一般的にこの様にコギングトルクの周期が小さくなると、同時にコギングトルクの絶対値も小さくなる。図１及び図３のモータを全く同一条件で磁界解析を行なった結果、本発明のモータのコギングトルクは従来型の約３分の１に留まることが分かった。

以上のように、本発明のモータは磁束の３次高調波成分を有効にトルクに変換することができるため、更に大きいトルクが出力可能となり、同一サイズ、質量でもより高出力なモータを提供できる。また発生する基本的なコギングトルクの周期が短くコギングトルクの絶対値も小さくすることができる。

なお、上記実施例１は磁極数は３８で、突極数が１２の場合を示しているが、他の磁極数、突極数の組み合わせでも同様の効果を得ることができる。

一般的には、磁極数をｐ、コアの突極数を１２ｚ、但し、ｚ＝１とし、突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、以下の式１の関係を満足する様に設定すれば、磁束の３次成分を有効活用しトルクを向上できると同時に、コギングトルクも低減することができる。

具体的には、コア突極数を１２、突極１極あたりに設けられた小歯の歯数を３とした場合に、磁極数６２といった構成が可能である。
また、本発明のモータは本来６相駆動に適した構成であるが、突極に＋Ｕ、−Ｕ、−Ｗ、＋Ｗ、＋Ｖ、−Ｖ、−Ｕ、＋Ｕ、＋Ｗ、−Ｗ、−Ｖ、＋Ｖの順にコイルを巻回しＵ、Ｖ、Ｗの３相通電をすることにより、コイルの結線および駆動回路を簡略化できる。
なお、上記ではアウターロータ型の構成を示しているが、同様にロータが内周でコアが外周であるインナーロータ型構成も可能であることは言うまでもない。

一方、上記では優位性のみ説明したが、本発明のブラシレスモータは誘起電圧波形に３次高調波が含まれている為、コイルをデルタ結線するとデルタ接続の閉ループ内を流れる還流電流が発生し効率が悪化するため、コイルの結線はＹ結線に限定される。また、コアの突極数は１２の倍数に限られる等の制約があり全ての場合において従来型より優れている訳ではない。

上記実施例１では本発明のモータの出力トルク及びコギングトルクでの優位性を説明したが、以下実施例２、３では、コア形状の工夫により更にコギングトルクを低減する手法について説明する。

本実施例２では、コア形状のうち、小歯先端の開角θに着目して、コギングトルクを低減する方法を示す。

図５は本実施例２および３のコア形状を示す。
ここで、コギングトルク発生のメカニズムを説明するために、その最小単位である１つの小歯６で発生するコギングトルクについて考える。

図６は小歯でのコギングトルク発生原理の説明図である。

図６においてまず小歯６の前側エッジ部６−１に磁極の切り替え部分が差し掛かった場合を考える。

図７（ａ）は小歯前側エッジ部６−１で発生するコギングトルクの説明図である。

図７（ａ）において、磁極の立ち下がり部７−１と小歯前側エッジ部６−１が一致するところを基準として考える。図７（ａ）に示した様に磁極立ち下がり部７−１が小歯前側エッジ部６−１が通過する際にほぼゼロとなり、電気角１８０°で１周期の周期性がある波形となる。

図７（ｂ）は同様に小歯後側エッジ部６−２で発生するコギングトルクの説明図である。

ここで、図７（ａ）のトルクと、図７（ｂ）のトルク波形を比較すると、小歯後側エッジ６−２で発生するコギングトルクは、小歯前側エッジ部６−１を磁極の立ち下がり部７−１が通過する時点を基準として考えると、小歯前側エッジ６−１で発生するコギングトルクと点対称の形をしており、基準点がθ＋α°ずれた波形となっていることが分かる。

以上より小歯前側エッジ６−１で発生するコギングトルクと、小歯後側エッジ６−２で発生するコギングトルクには規則性があり、この小歯６の開角θを調整すれば、コギングトルクの特定成分を除去できることが想像できる。

図７（ｃ）は（ａ）と（ｂ）を合成した１つの小歯６で発生するコギングトルクの説明図である。

ここで、小歯前側エッジ６−１を磁極の立ち下がり７−１が通過する時点を基準として、回転角度を電気角でｘ°と表すと、小歯前側エッジ６−１で発生するトルク波形は以下の式１０の様に表せる。

また、小歯後側エッジ６−２で発生するトルク波形は、以下の式１２のように表すことができる。

ここで１つの小歯におけるコギングトルク波形である、両者の合成波形は、（式１０）＋（式１２）でありこれを整理すると、以下の式１５のようになる。

ここでθ＋αを特定の値にすると、特定の成分を除去することができる。

具体的にはθ＋α°を１６５°、１９５°、２２５°、２５５°（言い換えればθ＝１６５−α、θ＝１９５−α、θ＝２２５−α、θ＝２５５−α）とした場合に、両エッジで発生するコギングトルクの６次成分（ 成分）が除去されたトルクとなる。

図７（ｄ）はモータ全体としてのコギングトルク波形を示す。
このモータは元来６相構造であるので、図７（ｃ）に示すトルクのうち１次・・・５次、７次・・・１１次のトルクは、位相が電気角で３０°ずつずれた、他の突極のトルクによりキャンセルされるため、モータ全体としては６次以降のトルクが現れる状態となるので、θ＝１３５−α、θ＝１６５−α、θ＝１９５−αいずれかとし、この小歯一つあたりで発生するトルクの６次成分を抑えれば、モータ全体として現れるコギングトルクの周期は１２次以降で通常の半分となり、その振幅も小さく収まる。

また、上記実施例は、小歯の開角θが１６５−α°でコギングトルクが最小になることを示したが、１６５−α°から角度がある程度前後した場合を考えると、小歯の開角を電気角で１６０−α°または１７０−α°とした場合は、小歯で発生するコギングトルクの６次成分は５０％除去され、小歯の開角を電気角で１６２．５−α°または１６７．５−α°とした場合は、小歯で発生するコギングトルクの６次成分は７４％除去される状態となり、実用的な性能を得るためには、小歯で発生するコギングトルクの６次成分が約４分の１以下となる１６２．５−α〜１６７．５−α°に設定することにより、コギングトルクの基本周期成分が大幅に低減され、コギングトルクを小さく抑えることができる。

また図示しないが、小歯６の先端形状がコア半径より小さいＲで形成した場合、あるいは面取り部を設けた場合、あるいは、コアの磁気飽和等の影響を考慮した場合は、磁気特性上は小歯６の開角が狭まった状態に近い条件となり、小歯３の開角αが若干（電気角にして５°前後）大きい場合にコギングトルクが最小となる現象が発生する場合がある。

従って一般的には、マグネット体表面は磁極ピッチ（電気角１８０°）より実質電気角α°狭い範囲（１８０−α°）に磁束を発生させる構成であって、突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で以下の式６、７、８、９のうちいずれかの条件を満足する範囲に設定することで、コギングトルクの小さいモータを提供することができる。

なお上記は、前記マグネット体表面は磁極ピッチより狭い範囲に磁束を発生させる構成で説明したが、磁極を隙間無く設けた場合はα＝０として以下の式２、３、４、５の条件を満足するように小歯の開角θ°を設定することで、コギングトルクの小さいモータを提供することができる。

上記実施例２では、コア形状のうち小歯の開角θに着目して、コギングトルクを低減する手法を示したが、本実施例３では、２つ以上のコア形状を組み合わせて設計することによりコギングトルクを低減する方法を示す。

本実施例３では、図５おいてコア１の突極２先端部に設けられた小歯３のピッチβを電気角で３４５°と磁極２極分よりわずかに小さい角度に設定する。

図８は本実施例３のコアの設計方法を示した説明図である。

図８に示すように、本実施例では、同一形状で角度が電気角でγ°ずれた２つのコア３−１、３−２の形状の斜線部分を組み合わせることにより設計する。

ここでγ＝７．５°とすると、コア３−１、コア３−２の角度ずれは、コギングトルクの基本周期の半分に一致し、コア３−１、コア３−２にはそれぞれ位相が１８０°異なるコギングトルクが発生する。

そこでこのコア形状を２分の１づつ組み合わせてコア形状を設計すると、１つのコア内で位相が１８０°異なる２つのコギングトルクが発生する状態となり、それぞれコギングトルクの奇数次成分が打ち消されるために、発生するコギングトルクの周期は半分で、コギングトルクの絶対値も大幅に小さくなる。

なお、前記において小歯の開角θについては特に指定していないが、上記実施例２に示した角度（例えばθ＝１６５−α°）にした場合、小歯の開角θのみでコギングトルクの基本次数成分を打ち消す作用があり、両者の効果を重ね合せることにより、製造上の都合などでコア形状がある程度ばらついた場合等でも安定してコギングトルクを低減することができるため、製品の品質を安定させる効果が得られる。

また、両者の効果を重ね合わせずに、組み合わせて使うことにより、更にコギングトルクを低減することも可能である。

例えば図５において、コア１の突極２先端部に設けられた小歯３の開角θを電気角で１６５−α°とし、小歯のピッチβを電気角で３５２．５°とする。
この形状は、小歯先端の開角θを１６５−α°とし元々基本コギングトルク周期の２分の１の周期のコギングトルクを発生するコア形状をベースとして、組み合わせるコア３−１、３−２の角度ずれを、コギングトルク基本周期の４分の１である電気角７．５度として設計したものである。

このような形状に設計することにより、コア形状のばらつき等による影響は若干大きくなるものの、発生するコギングトルクの周期は基本コギングトルク周期の４分の１となり、コギングトルクの絶対値も更に一段と小さくなる。

以上代表的な場合のみ示したが、組み合わせるコア形状は２つに限定されるわけではなく３つ以上でも良い。

一般的には、コア形状が、突極が等ピッチで、小歯先端のピッチが電機角で３６０°である基本形状をベースとして、回転方向に基本形状のコアが発生するコギングトルク周期の１／２の角度ずつずらした２個のコア基本形状を組み合わせた形状に設計することによりコギングトルクの低いモータを提供できる。

本発明のブラシレスモータは、小型でも出力が高いことから、ＯＡ機器、家電機器等の駆動源に使用することにより、機器のサイズを大きくすることなく機器の高速化、高機能化等を達成できる。

また、本発明のブラシレスモータを、燃料電池自動車、電気自動車に代表される輸送用機器の駆動用に使用することにより、同一特性でも小型、軽量のモータを提供することができ、車体の軽量化による走行性能の向上、あるいは燃費の向上等を実現することができる。

本発明の実施例１によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図 本発明の実施例１によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図（６相通電の場合） 従来技術によるブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図 １相あたりの誘起電圧波形を比較した図、（ａ）電気角３６０°分の誘起電圧波形を示した図、（ｂ）周波数分析を行った結果誘起電圧波形の比較図 本発明の実施例２、３によるコア形状の説明図 本発明の実施例２における小歯でのコギングトルク発生原理の説明図 本発明の実施例２におけるコギングトルク波形を示した図、（ａ）前側小歯エッジ部６−１で発生するトルク波形を示す図、（ｂ）後側小歯エッジ部６−２で発生するトルク波形を示す図、（ｃ）（ａ）、（ｂ）の合成トルク波形を示す図、（ｄ）モータ全体での合成トルク波形を示す図 本発明の実施例３におけるコアの設計方法を示した説明図 特開２００３−６１３２６号公報記載のブラシレスモータの磁気回路構成を示す説明図

符号の説明

１ 永久磁石
２ ロータヨーク
３、３−１、３−２ コア
４ コイル
５ 突極
６ 小歯
６−１ 小歯前側エッジ部
６−２ 小歯後側エッジ部
７−１ 磁極立ち下がり部
７−２ 磁極立ち上がり部

Claims (4)

1. 回転方向にＮ極、Ｓ極を交互に着磁したマグネット体を有するロータと、前記マグネット体とラジアル方向に対向して磁気回路を構成しコイルが巻回された複数の突極を設けたコアとを有し、前記突極のマグネット体と対向する部分には、マグネット２極分と略同一ピッチの小歯が複数個設けられ、前記ロータの位置に応じてコイルに通電することにより、ロータを回転駆動するブラシレスモータにおいて、
   前記マグネット体の磁極数をｐ、前記コアの突極数を１２ｚ、但し、ｚ＝１とし、前記突極１極あたりに設けられた小歯の歯数をｎとした場合に、下記の式１の関係を満足し、
   前記マグネット体は、単極着磁した短冊状の永久磁石を回転方向にＮ極Ｓ極交互に接着固定して構成され、
   前記突極に＋Ｕ、−Ｕ、−Ｗ、＋Ｗ、＋Ｖ、−Ｖ、−Ｕ、＋Ｕ、＋Ｗ、−Ｗ、−Ｖ、＋Ｖの順にコイルを巻回してＹ結線し、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相で１２０°矩形波通電することを特徴とするブラシレスモータ。
   
2. 前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で以下の式２、３、４、５のうちいずれかの条件を満足することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
   
3. 前記マグネット体表面は磁極ピッチより実質電気角α°狭い範囲に磁束を発生させるように前記永久磁石間に隙間を設けた構成であって、前記突極に設けられた小歯の開角θ°が電気角で以下の式６、７、８、９のうちいずれかの条件を満足することを特徴とする請求項１記載のブラシレスモータ。
   
4. 前記コア形状は、前記突極が等ピッチで、前記小歯先端のピッチが電気角で３６０°である基本形状をベースとして、回転方向に前記基本形状のコアが発生するコギングトルク周期の１／２の角度ずつずらした２個のコア基本形状を組み合わせた形状に構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のブラシレスモータ。