JP5229642B2 - モータ、および、それを用いた電動パワーステアリング装置 - Google Patents

モータ、および、それを用いた電動パワーステアリング装置 Download PDF

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Description

本発明は、ロータとともに回転するマグネットを備えるモータ、および、それを用いた電動パワーステアリング装置に関する。
従来、ロータの回転角度に応じて巻線に供給する電力を制御するブラシレスモータなどには、回転角度を検出するための位置センサが備えられる。位置センサは、ロータと共に回転する部位にマグネットを取り付け、そのマグネットが発生する磁場をホール素子や磁気抵抗素子等の磁気センサが検出するタイプのものが一般に知られている(例えば特許文献1参照)。ところで、巻線に供給する電力を制御する制御装置とモータの巻線とを接続する導線に電流が流れるとき、導線の周囲には磁場が形成される。そのため、マグネットの磁場を検出する磁気センサは、導線の周囲に形成される磁場の影響を受けることとなる。特に、導線が磁気センサの近傍に配置されるような構成のモータの場合、位置センサによるロータの回転角度の検出に誤差が生じ、検出精度が低下する。ロータの回転角度の検出精度が低下すると、モータのトルクリップルの増大あるいは出力低下を招くおそれがある。特に、自動車用の電動パワーステアリング装置において操舵アシストトルクを発生するためのモータとして使用される場合、モータのトルクリップルが僅かでも増大すると操舵アシストトルクが増幅される結果、運転者はスムーズな操舵アシストトルクを得ることができないこととなる。
国際公開第2008/062778号パンフレット
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、導線に流れる電流により生じる磁場の影響を抑制し、回転角度の検出精度が向上するモータを提供することにある。
請求項1に記載の発明は、ステータとロータとシャフトとマグネットと磁気センサと制御装置と第1の導線および第2の導線とを備える。ステータには、複数の巻線が巻回される。ロータは、ステータの径方向内側に回転可能に設けられる。シャフトは、ロータと同軸に設けられ、ロータとともに回転する。マグネットは、シャフトの一端に設けられ、ロータおよびシャフトとともに回転する。磁気センサは、マグネットと対向するようシャフトの軸方向に設けられ、マグネットが発生する磁気を検出することでロータの回転角度を検出する。制御装置は、磁気センサで検出したロータの回転角度に基づき巻線に供給する電力を制御する。第1の導線および第2の導線は、シャフトの軸を中心とする仮想円に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて制御装置と複数の巻線のそれぞれとを接続するよう設けられる。第1の導線および第2の導線には、巻線に供給される電流が流れる。
本発明では、第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じである。また、前記仮想円と第1の導線および第2の導線とのそれぞれの交点をp1およびp2とし、前記仮想円の弧p1p2の中心角をα(°)とすると、第1の導線および第2の導線は、α=180の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、第1の導線と第2の導線とは、シャフトの軸を挟んで対向する位置に設けられている。
第1の導線および第2の導線に電流が流れるとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれの周囲には磁場が形成される(以下、この磁場を適宜「電流磁場」という)。第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流の向きが同じ場合、第1の導線と第2の導線とから等距離離れた場所では、第1の導線が形成する電流磁場と第2の導線が形成する電流磁場とは、ベクトルの向きが逆になる。本発明では、第1の導線および前記第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じである。また、第1の導線と第2の導線とは、シャフトの軸を挟んで対向する位置に設けられている。そのため、第1の導線および第2の導線と等距離にあるシャフトの軸上では、第1の導線が形成する電流磁場および第2の導線が形成する電流磁場がキャンセルされる。これにより、シャフトの軸上に配置される磁気センサは、マグネットが発生する磁気を検出するとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれが形成する電流磁場の影響を受けることがない。したがって、ロータの回転角度を正確に検出することができる。
ここで、第1の導線および第2の導線は、厳密にα=180の関係を満たすようにして配置されていなくてもよい。αが概ね180であれば、磁気センサの位置において、第1の導線および第2の導線が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。つまり、αは、磁気センサが検出する回転角度が許容誤差範囲内となるよう設定されることが好ましい。
請求項2に記載の発明は、ステータとロータとシャフトとマグネットと磁気センサと制御装置と第1の導線および第2の導線とを備える。ステータには、複数の巻線が巻回される。ロータは、ステータの径方向内側に回転可能に設けられる。シャフトは、ロータと同軸に設けられ、ロータとともに回転する。マグネットは、シャフトの一端に設けられ、ロータおよびシャフトとともに回転する。磁気センサは、マグネットと対向するようシャフトの軸方向に設けられ、マグネットが発生する磁気を検出することでロータの回転角度を検出する。制御装置は、磁気センサで検出したロータの回転角度に基づき巻線に供給する電力を制御する。第1の導線および第2の導線は、シャフトの軸を中心とする仮想円に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて制御装置と複数の巻線のそれぞれとを接続するよう設けられる。第1の導線および第2の導線には、巻線に供給される電流が流れる。
本発明では、第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさが同じ、かつ、向きが逆である。また、前記仮想円と第1の導線および第2の導線とのそれぞれの交点をp1およびp2とし、前記仮想円の弧p1p2の中心角をα(°)とすると、第1の導線および第2の導線は、α=0の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、第1の導線と第2の導線とは、互いに当接するようにして設けられている。
第1の導線および第2の導線に電流が流れるとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれの周囲には電流磁場が形成される。第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流の向きが逆の場合、第1の導線と第2の導線との距離が十分に近いとき、第1の導線および第2の導線から所定の距離離れた場所では、第1の導線が形成する電流磁場と第2の導線が形成する電流磁場とは、ベクトルの向きが逆になる。本発明では、第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさが同じ、かつ、向きが逆である。また、第1の導線と第2の導線とは、互いに当接するようにして設けられている。そのため、第1の導線および第2の導線から所定の距離離れたシャフトの軸上では、第1の導線が形成する電流磁場および第2の導線が形成する電流磁場がキャンセルされる。これにより、シャフトの軸上に配置される磁気センサは、マグネットが発生する磁気を検出するとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれが形成する電流磁場の影響を受けることがない。したがって、ロータの回転角度を正確に検出することができる。
ここで、第1の導線および第2の導線は、厳密にα=0の関係を満たすようにして配置されていなくてもよい。αが概ね0であれば、磁気センサの位置において、第1の導線および第2の導線が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。つまり、αは、磁気センサが検出する回転角度が許容誤差範囲内となるよう設定されることが好ましい。
請求項3に記載の発明は、ステータとロータとシャフトとマグネットと磁気センサと制御装置と第1の導線と第2の導線と第3の導線とを備える。ステータには、複数の巻線が巻回される。ロータは、ステータの径方向内側に回転可能に設けられる。シャフトは、ロータと同軸に設けられ、ロータとともに回転する。マグネットは、シャフトの一端に設けられ、ロータおよびシャフトとともに回転する。磁気センサは、マグネットと対向するようシャフトの軸方向に設けられ、マグネットが発生する磁気を検出することでロータの回転角度を検出する。制御装置は、磁気センサで検出したロータの回転角度に基づき巻線に供給する電力を制御する。第1の導線は、シャフトの軸を中心とする仮想円の接線に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて制御装置と巻線とを接続するよう設けられる。第1の導線には、巻線に供給される電流が流れる。第2の導線は、前記仮想円と前記接線との接点に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて制御装置と巻線とを接続するよう設けられる。第2の導線には、巻線に供給される電流が流れる。第3の導線は、前記接点に対し前記接線と第1の導線との交点とは反対側で前記接線に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて制御装置と巻線とを接続するよう設けられる。第3の導線には、巻線に供給される電流が流れる。
本発明では、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0である。このような構成のモータとしては、例えば3相ブラシレスモータを想定することができる。また、前記接線と第1の導線、第2の導線および第3の導線とのそれぞれの交点をp1、p2およびp3とし、p1とp2との距離をd1、p2とp3との距離をd2とすると、第1の導線、第2の導線および第3の導線は、d1=d2=0の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、第1の導線と第2の導線と第3の導線とは、当接するようにして設けられている。
第1の導線、第2の導線および第3の導線に電流が流れるとき、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれの周囲には電流磁場が形成される。第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれに流れる電流の和が0の場合、第1の導線と第2の導線と第3の導線との距離が十分に近いとき、第1の導線、第2の導線および第3の導線から所定の距離離れた場所では、第1の導線が形成する電流磁場、第2の導線が形成する電流磁場および第1の導線が形成する電流磁場のベクトルの和は0になる。本発明では、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0である。また、第1の導線と第2の導線と第3の導線とは、当接するようにして設けられている。そのため、第1の導線、第2の導線および第3の導線から所定の距離離れたシャフトの軸上では、第1の導線が形成する電流磁場、第2の導線が形成する電流磁場および第3の導線が形成する電流磁場がキャンセルされる。これにより、シャフトの軸上に配置される磁気センサは、マグネットが発生する磁気を検出するとき、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれが形成する電流磁場の影響を受けることがない。したがって、ロータの回転角度を正確に検出することができる。
ここで、第1の導線、第2の導線および第3の導線は、厳密にd1=d2=0の関係を満たすようにして配置されていなくてもよい。d1およびd2が概ね0であれば、磁気センサの位置において、第1の導線、第2の導線および第3の導線が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。つまり、d1およびd2は、磁気センサが検出する回転角度が許容誤差範囲内となるよう設定されることが好ましい。
このように、請求項1〜3に記載の発明は、いずれも、導線に流れる電流の向きと導線の周囲に形成される磁場の向きとに着目し、導線が形成する磁場が磁気センサの位置においてキャンセルされる構成を実現している。
請求項4に記載の発明では、第1の導線と第2の導線との組は、複数設けられている。すなわち、本発明は、2系統からなる複数相駆動方式のモータに適用した例を示すものである。
請求項5に記載の発明では、第1の導線と第2の導線と第3の導線との組は、複数設けられている。すなわち、本発明は、複数系統からなる3相駆動方式のモータに適用した例を示すものである。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5のいずれか一項に記載のモータを用いた電動パワーステアリング装置の発明である。本発明に用いられるモータでは、磁気センサは、制御装置と巻線とを接続する導線が形成する電流磁場の影響を受けない。そのため、ロータの回転角度の検出精度が高い。これにより、モータのトルクリップルの増大あるいは出力低下を抑制することができる。したがって、当該モータを用いた電動パワーステアリング装置において、運転者はスムーズな操舵アシストトルクを得ることができる。
本発明の第1実施形態によるモータを示す断面図。 本発明の第1実施形態によるモータを示す側面図。 (A)は本発明の第1実施形態によるモータの導線の配置を示す概略図、(B)は(A)の一部を抜き出して示した概略図。 (A)は本発明の第2実施形態によるモータの導線の配置を示す概略図、(B)は(A)の一部を抜き出して示した概略図。 (A)は本発明の第3実施形態によるモータの導線の配置を示す概略図、(B)は(A)の一部を抜き出して示した概略図。
以下、本発明の複数の実施形態を図に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態によるモータを図1および2に示す。モータ1は、図示しない電動パワーステアリング装置に用いられ、運転者による操舵をアシストする。
モータ1は、ステータ20、ロータ30、シャフト40、マグネット60、磁気センサ12および制御装置80などを備えている。
ステータ20は、複数の突極21からなる。本実施形態では、6つの突極21が等間隔で環状をなすよう配置されてステータ20を構成している。突極21は、磁性材料の薄板を積層してなる積層鉄心23と、当該積層鉄心23に径方向から嵌合される筒状のインシュレータ24とを有している。各インシュレータ24には巻線22が巻回されている。突極21は、巻線22に電力が供給されると磁力を生じる。
ロータ30は、例えば鉄などの磁性材料で筒状に形成されている。ロータ30は、ロータコア31と、当該ロータコア31の径方向外側に設けられる永久磁石32とを有している。永久磁石32は、N極とS極とがロータコア31の周方向に交互に設けられている。
シャフト40は、金属により棒状に形成され、ロータコア31の中心軸上に形成された軸穴33に圧入固定されている。
モータケース70は、例えばアルミ等の金属により形成され、筒部71、隔壁72およびフレームエンド74を有している。筒部71は、略円筒状に形成されている。隔壁72は、筒部71の一方の端部を塞ぐようにして設けられている。フレームエンド74は、筒部71の他方の端部から径方向内側へ延びるように形成されることで、当該端部を塞いでいる。
ステータ20は、モータケース70の筒部71の内側に収容されている。ロータ30は、ステータ20の径方向内側に位置するよう、筒部71の内側に収容されている。モータケース70の隔壁72およびフレームエンド74のそれぞれの中央部には、軸受け75および軸受け77が設けられている。軸受け75および軸受け77は、シャフト40のロータ30の軸方向両側を軸受けしている。これにより、ロータ30は、シャフト40、軸受け75および軸受け77を介し、モータケース70に回転可能に支持されている。
マグネット60は、ホルダ11を介して、シャフト40の隔壁72側端部に固定されている。これにより、マグネット60は、ホルダ11、シャフト40およびロータ30とともに回転可能である。
制御装置80は、電力変換器81およびマイコン85等を有している。
電力変換器81は、複数のスイッチング素子82、当該スイッチング素子82に接続する端子83および制御端子84を有している。電力変換器81は、複数のスイッチング素子82、端子83および制御端子84を樹脂モールドすることにより板状に形成されている。電力変換器81は、シャフト40の軸方向、マグネット60から所定の距離離れた位置に、板厚方向をシャフト40の軸Axと同じくして設けられている。
各スイッチング素子82は、電源端子18に接続している。電源端子18は、図示しないバッテリに接続されている。また、各スイッチング素子82の端子83は、導線111、112、113、121、122および123を経由して、各巻線22に接続している(図2参照)。
スイッチング素子82は、例えばMOSFETまたはIGBT等の半導体素子であり、巻線22に供給する電力を切り替える。各スイッチング素子82の切り替え作動時、電源端子18、各スイッチング素子82、導線111、112、113、121、122および123を電流が流れることにより、図示しないバッテリから巻線22へ電力が供給される。このとき(各スイッチング素子82の切り替え作動時)、スイッチング素子82は熱を発する。スイッチング素子82は、この熱を放熱可能な放熱面を有している。
電力変換器81のステータ20とは反対側には、ヒートシンク73が設けられている。ヒートシンク73は、例えばアルミ等の金属により形成され、電力変換器81側の壁面の一部が各スイッチング素子82の放熱面に当接するようにして設けられている。これにより、スイッチング素子82から発生する熱は、ヒートシンク73を経由して放熱される。
電力変換器81とマグネット60との間には、板厚方向をシャフト40の軸Axと同じくする基板13が設けられている。磁気センサ12は、シャフト40に固定されたマグネット60に対向するよう、基板13のシャフト40側の面に設けられている。すなわち、磁気センサ12は、シャフト40の軸Ax上に設けられている。磁気センサ12は、例えば磁気抵抗素子(MR素子)やホール素子などの磁気検出素子を有している。これにより、磁気センサ12は、マグネット60が発生する磁気を検出することでロータ30の回転角度を検出可能である。図2に示すように、本実施形態では、磁気センサ12の外周側(磁気センサ12の板面方向)に導線111、112、113、121、122および123が配置されている。つまり、磁気センサ12の板面を含む仮想平面は、導線111、112、113、121、122および123と交わる。
マイコン85は、基板13のシャフト40側の面に実装されている。マイコン85は、電力変換器81の制御端子84および磁気センサ12に接続されている。マイコン85は、磁気センサ12で検出したロータ30の回転角度等に基づき、電力変換器81のスイッチング素子82による電力の切り替えを制御する。
ここで、本実施形態では、導線111は、第1のU相に対応する巻線22に接続している。また、導線112は、第1のV相に対応する巻線22に接続している。また、導線113は、第1のW相に対応する巻線22に接続している。また、導線121は、第2のU相に対応する巻線22に接続している。また、導線122は、第2のV相に対応する巻線22に接続している。また、導線123は、第2のW相に対応する巻線22に接続している。
導線111、112、113、121、122および123を経由し複数の巻線22に供給される電力がマイコン85によって順次切り替えられると、ステータ20は回転磁界を生じる。これにより、ロータ30が回転する。このロータ30の回転力は、シャフト40のマグネット60とは反対側の端部から出力され、電動パワーステアリング装置における駆動力(運転者の操舵をアシストする力)となる。
本実施形態では、電力変換器81とヒートシンク73との間に形成される空間に、複数のコンデンサ15およびチョークコイル16が設けられている。各コンデンサ15は、各スイッチング素子82に接続されている。コンデンサ15は、スイッチング素子82のスイッチング作動時に生じるサージ電圧を吸収する。チョークコイル16は、トロイダル形状のコアを有し、電源ノイズを低減する。
上述した構成のとおり、本実施形態のモータ1は、2系統からなる3相駆動方式のブラシレスモータである。すなわち、導線111(U相)、導線112(V相)および導線113(W相)、ならびに、それらに接続するスイッチング素子82および巻線22で1系統(第1系統)を構成し、導線121(U相)、導線122(V相)および導線123(W相)、ならびに、それらに接続するスイッチング素子82および巻線22で別の系統(第2系統)を構成している。
各導線は各相(U相、V相、W相)の巻線22に対応するため、以下、導線111、導線112および導線113を、それぞれU相導線111、V相導線112およびW相導線113という。また、導線121、導線122および導線123を、それぞれU相導線121、V相導線122およびW相導線123という。
本実施形態では、第1系統を構成するU相導線111、V相導線112およびW相導線113のそれぞれが、特許請求の範囲における「第1の導線」に相当し、第2系統を構成するU相導線121、V相導線122およびW相導線123のそれぞれが「第2の導線」に相当する。また、U相導線111とU相導線121との組、V相導線112とV相導線122との組、および、W相導線113とW相導線123との組のそれぞれが、特許請求の範囲における「第1の導線と第2の導線との組」に相当する。
次に、本実施形態におけるU相導線111、V相導線112、W相導線113、U相導線121、V相導線122およびW相導線123の配置について、図1〜3を用いて説明する。図3(A)は、図1を矢印III方向から見たときの各導線の配置、および、ある時点において各導線に流れる電流の向きを概略的に示したものである。
図1〜3(A)に示すように、U相導線111(U1)、V相導線112(V1)、W相導線113(W1)、U相導線121(U2)、V相導線122(V2)およびW相導線123(W2)は、シャフト40の軸Axを中心とする仮想円Cに交わるとともに軸Axに対し平行に延びて制御装置80と巻線22とを接続するよう設けられている。
図3(A)に示すように、仮想円CとU相導線111との交点をp1、仮想円CとU相導線121との交点をp2、仮想円Cの弧p1p2の中心角をα(°)とすると、U相導線111およびU相導線121は、α=180の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、U相導線111とU相導線121とは、シャフト40の軸Ax方向から見たとき、軸Axを挟んで互いに対向するようにして配置されている。
本実施形態では、V相導線112とV相導線122との組、および、W相導線113とW相導線123との組についても、U相導線111とU相導線121との組と同様、仮想円Cとの交点がなす弧の中心角が180°となるよう配置されている。
なお、本実施形態では、仮想円Cの周方向における各導線の間隔は、等間隔(60°)に設定されている。
次に、各導線に流れる電流について説明する。
図3(A)では、U相導線111およびU相導線121には、紙面奥から手前に向かって(シャフト40の軸Ax方向に)電流が流れていることを示している。V相導線112およびV相導線122、ならびに、W相導線113およびW相導線123には、紙面手前から奥に向かって(シャフト40の軸Ax方向に)電流が流れていることを示している。つまり、本実施形態では、U相導線111およびU相導線121のそれぞれに流れる電流の向きは、任意の時点において同じである。同様に、V相導線112およびV相導線122のそれぞれに流れる電流の向きは、任意の時点において同じである。さらに、W相導線113およびW相導線123のそれぞれに流れる電流の向きは、任意の時点において同じである。
また、本実施形態では、U相導線111およびU相導線121のそれぞれに流れる電流の大きさは、任意の時点において同じである。同様に、V相導線112およびV相導線122のそれぞれに流れる電流の大きさは、任意の時点において同じである。さらに、W相導線113およびW相導線123のそれぞれに流れる電流の大きさは、任意の時点において同じである。
このように、本実施形態では、第1の導線(U相導線111、V相導線112、W相導線113)および第2の導線(U相導線121、V相導線122、W相導線123)のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じである。
次に、導線に生じる磁場について図3(B)を用いて説明する。図3(B)は、図3(A)からU相導線111およびU相導線121のみ抜き出して示したものである。
図3(B)に示すように、U相導線111に紙面奥から手前に向かう電流が流れると、U相導線111の周囲には、反時計回り方向の電流磁場が形成される。一方、U相導線121に紙面奥から手前に向かう電流が流れると、U相導線121の周囲にも、反時計回り方向の電流磁場が形成される。そのため、仮想円Cの中心(シャフト40の軸Ax)付近では、U相導線111が形成する電流磁場のベクトルVu1とU相導線121が形成する電流磁場のベクトルVu2とは、向きが逆になる。ここで、U相導線111およびU相導線121のそれぞれに流れる電流の大きさは任意の時点において同じなので、ベクトルVu1およびベクトルVu2の大きさは同じである。そのため、シャフト40の軸Ax上では、U相導線111およびU相導線121が形成する電流磁場がキャンセルされる。同様に、シャフト40の軸Ax上では、V相導線112およびV相導線122が形成する電流磁場、ならびに、W相導線113およびW相導線123が形成する電流磁場がキャンセルされる。
本実施形態では、磁気センサ12はシャフト40の軸Ax上に設けられているため、磁気センサ12は、U相導線111、U相導線121、V相導線112、V相導線122、W相導線113およびW相導線123が形成する電流磁場の影響を受けることなく、マグネット60が発生する磁気を検出することができる。
以上説明したように、本実施形態では、第1の導線(U相導線111、V相導線112、W相導線113)および第2の導線(U相導線121、V相導線122、W相導線123)のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じである。また、シャフト40の軸Axを中心とする仮想円Cと第1の導線および第2の導線とのそれぞれの交点をp1およびp2とし、仮想円Cの弧p1p2の中心角をα(°)とすると、第1の導線および第2の導線は、α=180の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、第1の導線と第2の導線とは、シャフト40の軸Axを挟んで対向する位置に設けられている。
第1の導線および第2の導線に電流が流れるとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれの周囲には電流磁場が形成される。第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流の向きが同じ場合、第1の導線と第2の導線とから等距離離れた場所では、第1の導線が形成する電流磁場と第2の導線が形成する電流磁場とは、ベクトルの向きが逆になる。本実施形態では、第1の導線および前記第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じである。また、第1の導線と第2の導線とは、シャフト40の軸Axを挟んで対向する位置に設けられている。そのため、第1の導線および第2の導線と等距離にあるシャフト40の軸Ax上では、第1の導線が形成する電流磁場および第2の導線が形成する電流磁場がキャンセルされる。これにより、シャフト40の軸Ax上に配置される磁気センサ12は、マグネット60が発生する磁気を検出するとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれが形成する電流磁場の影響を受けることがない。したがって、ロータ30の回転角度を正確に検出することができる。
本実施形態では、第1の導線と第2の導線との組は、3組設けられている(U相導線111とU相導線121との組、V相導線112とV相導線122との組、W相導線113とW相導線123との組)。すなわち、モータ1は、2系統からなる3相駆動方式のモータである。このように、第1の導線と第2の導線との組が複数組設けられる構成であっても、それぞれの組が形成する電流磁場はキャンセルされるため、ロータ30の回転角度を正確に検出することができる。
また、本実施形態のモータ1は、電動パワーステアリング装置に用いられる。本実施形態によるモータ1では、磁気センサ12は、制御装置80と巻線22とを接続する導線(U相導線111、U相導線121、V相導線112、V相導線122、W相導線113およびW相導線123)が形成する電流磁場の影響を受けない。そのため、ロータ30の回転角度の検出精度が高い。これにより、モータ1のトルクリップルの増大あるいは出力低下を抑制することができる。したがって、モータ1を用いた電動パワーステアリング装置において、運転者はスムーズな操舵アシストトルクを得ることができる。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態によるモータの導線の配置について図4に示す。第2実施形態は、物理的な構成は第1実施形態と同一であるが、制御装置80と巻線22とを接続する導線の配置等が第1実施形態と異なる。
本実施形態では、第1実施形態と同様、第1系統を構成するU相導線111、V相導線112およびW相導線113のそれぞれが、特許請求の範囲における「第1の導線」に相当し、第2系統を構成するU相導線121、V相導線122およびW相導線123のそれぞれが「第2の導線」に相当する。また、U相導線111とU相導線121との組、V相導線112とV相導線122との組、および、W相導線113とW相導線123との組のそれぞれが、特許請求の範囲における「第1の導線と第2の導線との組」に相当する。
次に、本実施形態におけるU相導線111、V相導線112、W相導線113、U相導線121、V相導線122およびW相導線123の配置について、図4を用いて説明する。図4(A)は、第2実施形態によるモータをシャフト40の軸Ax方向から見たときの各導線の配置、および、ある時点において各導線に流れる電流の向きを概略的に示したものである。
U相導線111(U1)、V相導線112(V1)、W相導線113(W1)、U相導線121(U2)、V相導線122(V2)およびW相導線123(W2)は、シャフト40の軸Axを中心とする仮想円Cに交わるとともに軸Axに対し平行に延びて制御装置80と巻線22とを接続するよう設けられている。
図4(A)に示すように、仮想円CとU相導線111との交点をp1、仮想円CとU相導線121との交点をp2、仮想円Cの弧p1p2の中心角をα(°)とすると、U相導線111およびU相導線121は、α=0の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、U相導線111とU相導線121とは、互いに当接するようにして設けられている。なお、図4(A)では各導線の太さを誇張して示しているためα≠0のように見えるが、導線の太さが十分に細い場合、α=0である。
本実施形態では、V相導線112とV相導線122との組、および、W相導線113とW相導線123との組についても、U相導線111とU相導線121との組と同様、仮想円Cとの交点がなす弧の中心角が0°となるよう配置されている。
なお、本実施形態では、仮想円Cの周方向における各導線組の間隔は、等間隔(120°)に設定されている。
次に、各導線に流れる電流について説明する。
図4(A)では、U相導線111、V相導線122およびW相導線123には、紙面奥から手前に向かって(シャフト40の軸Ax方向に)電流が流れていることを示している。U相導線121、V相導線112およびW相導線113には、紙面手前から奥に向かって(シャフト40の軸Ax方向に)電流が流れていることを示している。つまり、本実施形態では、U相導線111およびU相導線121のそれぞれに流れる電流の向きは、任意の時点において逆である。同様に、V相導線112およびV相導線122のそれぞれに流れる電流の向きは、任意の時点において逆である。さらに、W相導線113およびW相導線123のそれぞれに流れる電流の向きは、任意の時点において逆である。
また、本実施形態では、U相導線111およびU相導線121のそれぞれに流れる電流の大きさは、任意の時点において同じである。同様に、V相導線112およびV相導線122のそれぞれに流れる電流の大きさは、任意の時点において同じである。さらに、W相導線113およびW相導線123のそれぞれに流れる電流の大きさは、任意の時点において同じである。
このように、本実施形態では、第1の導線(U相導線111、V相導線112、W相導線113)および第2の導線(U相導線121、V相導線122、W相導線123)のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさが同じ、かつ、向きが逆である。
次に、導線に生じる磁場について図4(B)を用いて説明する。図4(B)は、図4(A)からU相導線111およびU相導線121のみ抜き出して示したものである。
図4(B)に示すように、U相導線111に紙面奥から手前に向かう電流が流れると、U相導線111の周囲には、反時計回り方向の電流磁場が形成される。一方、U相導線121に紙面手前から奥に向かう電流が流れると、U相導線121の周囲には、時計回り方向の電流磁場が形成される。そのため、仮想円Cの中心(シャフト40の軸Ax)付近では、U相導線111が形成する電流磁場のベクトルVu1とU相導線121が形成する電流磁場のベクトルVu2とは、向きが逆になる。ここで、U相導線111およびU相導線121のそれぞれに流れる電流の大きさは任意の時点において同じなので、ベクトルVu1およびベクトルVu2の大きさは同じである。そのため、シャフト40の軸Ax上では、U相導線111およびU相導線121が形成する電流磁場がキャンセルされる。同様に、シャフト40の軸Ax上では、V相導線112およびV相導線122が形成する電流磁場、ならびに、W相導線113およびW相導線123が形成する電流磁場がキャンセルされる。
本実施形態では、磁気センサ12はシャフト40の軸Ax上に設けられているため、磁気センサ12は、U相導線111、U相導線121、V相導線112、V相導線122、W相導線113およびW相導線123が形成する電流磁場の影響を受けることなく、マグネット60が発生する磁気を検出することができる。
以上説明したように、本実施形態では、第1の導線(U相導線111、V相導線112、W相導線113)および第2の導線(U相導線121、V相導線122、W相導線123)のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさが同じ、かつ、向きが逆である。また、シャフト40の軸Axを中心とする仮想円Cと第1の導線および第2の導線とのそれぞれの交点をp1およびp2とし、仮想円Cの弧p1p2の中心角をα(°)とすると、第1の導線および第2の導線は、α=0の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、第1の導線と第2の導線とは、互いに当接するようにして設けられている。
第1の導線および第2の導線に電流が流れるとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれの周囲には電流磁場が形成される。第1の導線および前記第2の導線のそれぞれに流れる電流の向きが逆の場合、第1の導線と第2の導線との距離が十分に近いとき、第1の導線および前記第2の導線から所定の距離離れた場所では、第1の導線が形成する電流磁場と第2の導線が形成する電流磁場とは、ベクトルの向きが逆になる。本実施形態では、第1の導線および第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさが同じ、かつ、向きが逆である。また、第1の導線と第2の導線とは、互いに当接するようにして設けられている。そのため、第1の導線および第2の導線から所定の距離離れたシャフト40の軸Ax上では、第1の導線が形成する電流磁場および第2の導線が形成する電流磁場がキャンセルされる。これにより、シャフト40の軸Ax上に配置される磁気センサ12は、マグネット60が発生する磁気を検出するとき、第1の導線および第2の導線のそれぞれが形成する電流磁場の影響を受けることがない。したがって、ロータ30の回転角度を正確に検出することができる。
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態によるモータの導線の配置について図5に示す。第3実施形態は、物理的な構成は第1実施形態と同一であるが、制御装置80と巻線22とを接続する導線の配置等が第1実施形態と異なる。
本実施形態では、第1実施形態と異なり、U相導線111およびU相導線121のそれぞれが特許請求の範囲における「第1の導線」に相当し、V相導線112およびV相導線122のそれぞれが「第2の導線」に相当し、W相導線113およびW相導線123のそれぞれが「第3の導線」に相当する。また、第1系統を構成するU相導線111とV相導線112とW相導線113との組、および、第2系統を構成するU相導線121とV相導線122とW相導線123との組のそれぞれが、特許請求の範囲における「第1の導線と第2の導線と第3の導線との組」に相当する。
次に、本実施形態におけるU相導線111、V相導線112、W相導線113、U相導線121、V相導線122およびW相導線123の配置について、図5を用いて説明する。図5(A)は、第2実施形態によるモータをシャフト40の軸Ax方向から見たときの各導線の配置、および、ある時点において各導線に流れる電流の向きを概略的に示したものである。
U相導線111(U1)、V相導線112(V1)、W相導線113(W1)、U相導線121(U2)、V相導線122(V2)およびW相導線123(W2)は、シャフト40の軸Axに対し平行に延びて制御装置80と巻線22とを接続するよう設けられている。
図5(A)に示すように、本実施形態では、U相導線111は、仮想円Cの接線L1に交わるようにして設けられている。V相導線112は、仮想円Cと接線L1との接点に交わるようにして設けられている。W相導線113は、前記接点に対し接線L1とU相導線111との交点とは反対側で接線L1に交わるようにして設けられている。
接線L1とU相導線111との交点をp1、接線L1とV相導線112との交点をp2、接線L1とW相導線113との交点をp3とし、p1とp2との距離をd1、p2とp3との距離をd2とすると、U相導線111、V相導線112およびW相導線113は、d1=d2=0の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、U相導線111とV相導線112とW相導線113とは、当接するようにして設けられている。なお、図5(A)では各導線の太さを誇張して示しているためd1=d2≠0のように見えるが、導線の太さが十分に細い場合、d1=d2=0である。
本実施形態では、U相導線121とV相導線122とW相導線123との組についても、U相導線111とV相導線112とW相導線113との組と同様、仮想円Cの接線L2上に配置され、U相導線121とV相導線122との距離d1、および、V相導線122とW相導線123との距離d2は、0である。なお、V相導線112とV相導線122とは、シャフト40の軸Axを挟んで互いに対向する位置に配置されている。
次に、各導線に流れる電流について説明する。
図5(A)では、U相導線111およびV相導線112、ならびに、U相導線121およびV相導線122には、紙面奥から手前に向かって(シャフト40の軸Ax方向に)電流が流れていることを示している。W相導線113およびW相導線123には、紙面手前から奥に向かって(シャフト40の軸Ax方向に)電流が流れていることを示している。本実施形態のモータは3相ブラシレスモータである。そのため、U相導線111、V相導線112およびW相導線113のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0である。また、U相導線121、V相導線122およびW相導線123のそれぞれに流れる電流の和も、任意の時点において0である。
このように、本実施形態では、第1の導線(U相導線111、U相導線121)、第2の導線(V相導線112、V相導線122)および第3の導線(W相導線113、W相導線123)のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0である。
次に、導線に生じる磁場について図5(B)を用いて説明する。図5(B)は、図5(A)からU相導線111、V相導線112およびW相導線113のみ抜き出して示したものである。
図5(B)に示すように、U相導線111およびV相導線112に紙面奥から手前に向かう電流が流れると、U相導線111およびV相導線112の周囲には、反時計回り方向の電流磁場が形成される。一方、W相導線113に紙面手前から奥に向かう電流が流れると、W相導線113の周囲には、時計回り方向の電流磁場が形成される。そのため、仮想円Cの中心(シャフト40の軸Ax)付近では、U相導線111が形成する電流磁場のベクトルVu1とV相導線112が形成する電流磁場のベクトルVv1とW相導線113が形成する電流磁場のベクトルVw1との和は、0になる。そのため、シャフト40の軸Ax上では、U相導線111、V相導線112およびW相導線113が形成する電流磁場がキャンセルされる。同様に、シャフト40の軸Ax上では、U相導線121、V相導線122およびW相導線123が形成する電流磁場がキャンセルされる。
本実施形態では、磁気センサ12はシャフト40の軸Ax上に設けられているため、磁気センサ12は、U相導線111、V相導線112、W相導線113、U相導線121、V相導線122およびW相導線123が形成する電流磁場の影響を受けることなく、マグネット60が発生する磁気を検出することができる。
以上説明したように、本実施形態では、第1の導線(U相導線111、U相導線121)、第2の導線(V相導線112、V相導線122)および第3の導線(W相導線113、W相導線123)のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0である。また、シャフト40の軸Axを中心とする仮想円Cの接線(L1、L2)と第1の導線、第2の導線および第3の導線とのそれぞれの交点をp1、p2およびp3とし、p1とp2との距離をd1、p2とp3との距離をd2とすると、第1の導線、第2の導線および第3の導線は、d1=d2=0の関係を満たすようにして配置されている。すなわち、第1の導線と第2の導線と第3の導線とは、当接するようにして設けられている。
第1の導線、第2の導線および第3の導線に電流が流れるとき、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれの周囲には電流磁場が形成される。第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれに流れる電流の和が0の場合、第1の導線と第2の導線と第3の導線との距離が十分に近いとき、第1の導線、第2の導線および第3の導線から所定の距離離れた場所では、第1の導線が形成する電流磁場、第2の導線が形成する電流磁場および第1の導線が形成する電流磁場のベクトルの和は0になる。本実施形態では、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0である。また、第1の導線と第2の導線と第3の導線とは、当接するようにして設けられている。そのため、第1の導線、第2の導線および第3の導線から所定の距離離れたシャフト40の軸Ax上では、第1の導線が形成する電流磁場、第2の導線が形成する電流磁場および第3の導線が形成する電流磁場がキャンセルされる。これにより、シャフト40の軸Ax上に配置される磁気センサ12は、マグネット60が発生する磁気を検出するとき、第1の導線、第2の導線および第3の導線のそれぞれが形成する電流磁場の影響を受けることがない。したがって、ロータ30の回転角度を正確に検出することができる。
本実施形態では、第1の導線と第2の導線と第3の導線との組は、2組設けられている(U相導線111とV相導線112とW相導線113との組、U相導線121とV相導線122とW相導線123との組)。すなわち、モータは、2系統からなる3相駆動方式のモータであり、駆動方式の観点からみた構成としては第1実施形態および第2実施形態と同様である。このように、第1の導線と第2の導線と第3の導線との組が複数組設けられる構成であっても、それぞれの組が形成する電流磁場はキャンセルされるため、ロータ30の回転角度を正確に検出することができる。
(他の実施形態)
上述の第1実施形態では、第1の導線および第2の導線がα=180の関係を満たすようにして配置される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、第1の導線および第2の導線は、厳密にα=180の関係を満たすようにして配置されていなくてもよい。αが概ね180であれば、磁気センサの位置において、第1の導線および第2の導線が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。つまり、αは、磁気センサが検出する回転角度が許容誤差範囲内となるよう設定されていればよい。
上述の第2実施形態では、第1の導線および第2の導線がα=0の関係を満たすようにして配置される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、第1の導線および第2の導線は、厳密にα=0の関係を満たすようにして配置されていなくてもよい。αが概ね0であれば、磁気センサの位置において、第1の導線および第2の導線が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。つまり、αは、磁気センサが検出する回転角度が許容誤差範囲内となるよう設定されていればよい。よって、第1の導線と第2の導線とが当接しない構成も考えられる。
上述の第3実施形態では、第1の導線、第2の導線および第3の導線がd1=d2=0の関係を満たすようにして配置される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、第1の導線、第2の導線および第3の導線は、厳密にd1=d2=0の関係を満たすようにして配置されていなくてもよい。d1およびd2が概ね0であれば、磁気センサの位置において、第1の導線、第2の導線および第3の導線が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。つまり、d1およびd2は、磁気センサが検出する回転角度が許容誤差範囲内となるよう設定されていればよい。よって、第1の導線と第2の導線と第3の導線とが当接しない構成も考えられる。
上述の実施形態では、複数の「第1の導線と第2の導線との組」同士の間隔、および、複数の「第1の導線と第2の導線と第3の導線との組」同士の間隔が、等間隔に設定される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、複数の「第1の導線と第2の導線との組」同士の間隔、および、複数の「第1の導線と第2の導線と第3の導線との組」同士の間隔は、等間隔に設定されない構成としてもよい。
上述の実施形態では、「第1の導線と第2の導線との組」および「第1の導線と第2の導線と第3の導線との組」がそれぞれ複数設けられる例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、「第1の導線と第2の導線との組」および「第1の導線と第2の導線と第3の導線との組」は、それぞれ単数設けられる構成としてもよい。例えば、単相駆動式モータや1系統3相駆動式モータを例示することができる。
上述の実施形態では、磁気センサの外周側(磁気センサの板面方向)に第1の導線および第2の導線(および第3の導線)が配置される例を示した。これに対し、本発明の他の実施形態では、磁気センサがシャフトの軸上に配置されるのであれば、第1の導線および第2の導線(および第3の導線)は、磁気センサの外周側に配置されていなくてもよい。この構成では、磁気センサの板面を含む仮想平面は、第1の導線および第2の導線(および第3の導線)と交わらない。このような構成であっても、磁気センサの位置(シャフトの軸上)において、第1の導線および第2の導線(および第3の導線)が形成する電流磁場をキャンセルする効果は得られる。
本発明は、ブラシレスモータに限らず、ブラシ付きモータにも適用することができる。
また、本発明のモータは、電動パワーステアリング装置に限らず、種々の装置または機器類に用いることができる。
このように、本発明は、上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の形態で実施可能である。
1 ・・・・・モータ
12 ・・・・磁気センサ
20 ・・・・ステータ
22 ・・・・巻線
30 ・・・・ロータ
40 ・・・・シャフト
60 ・・・・マグネット
80 ・・・・制御装置
111 ・・・U相導線(第1の導線)
112 ・・・V相導線(第1の導線)
113 ・・・W相導線(第1の導線)
121 ・・・U相導線(第2の導線)
122 ・・・V相導線(第2の導線)
123 ・・・W相導線(第2の導線)

Claims (6)

  1. 複数の巻線が巻回されるステータと、
    前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータと、
    前記ロータと同軸に設けられ、前記ロータとともに回転するシャフトと、
    前記シャフトの一端に設けられ、前記ロータおよび前記シャフトとともに回転するマグネットと、
    前記マグネットと対向するよう前記シャフトの軸方向に設けられ、前記マグネットが発生する磁気を検出することで前記ロータの回転角度を検出する磁気センサと、
    前記磁気センサで検出した前記ロータの回転角度に基づき前記巻線に供給する電力を制御する制御装置と、
    前記シャフトの軸を中心とする仮想円に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて前記制御装置と前記複数の巻線のそれぞれとを接続するよう設けられ、前記巻線に供給される電流が流れる第1の導線および第2の導線と、を備え、
    前記第1の導線および前記第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさおよび向きが同じであり、
    前記仮想円と前記第1の導線および前記第2の導線とのそれぞれの交点をp1およびp2とし、前記仮想円の弧p1p2の中心角をα(°)とすると、
    前記第1の導線および前記第2の導線は、α=180の関係を満たすようにして配置されていることを特徴とするモータ。
  2. 複数の巻線が巻回されるステータと、
    前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータと、
    前記ロータと同軸に設けられ、前記ロータとともに回転するシャフトと、
    前記シャフトの一端に設けられ、前記ロータおよび前記シャフトとともに回転するマグネットと、
    前記マグネットと対向するよう前記シャフトの軸方向に設けられ、前記マグネットが発生する磁気を検出することで前記ロータの回転角度を検出する磁気センサと、
    前記磁気センサで検出した前記ロータの回転角度に基づき前記巻線に供給する電力を制御する制御装置と、
    前記シャフトの軸を中心とする仮想円に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて前記制御装置と前記複数の巻線のそれぞれとを接続するよう設けられ、前記巻線に供給される電流が流れる第1の導線および第2の導線と、を備え、
    前記第1の導線および前記第2の導線のそれぞれに流れる電流は、任意の時点における大きさが同じ、かつ、向きが逆であり、
    前記仮想円と前記第1の導線および前記第2の導線とのそれぞれの交点をp1およびp2とし、前記仮想円の弧p1p2の中心角をα(°)とすると、
    前記第1の導線および前記第2の導線は、互いに当接することでα=0の関係を満たすようにして配置されていることを特徴とするモータ。
  3. 複数の巻線が巻回されるステータと、
    前記ステータの径方向内側に回転可能に設けられるロータと、
    前記ロータと同軸に設けられ、前記ロータとともに回転するシャフトと、
    前記シャフトの一端に設けられ、前記ロータおよび前記シャフトとともに回転するマグネットと、
    前記マグネットと対向するよう前記シャフトの軸方向に設けられ、前記マグネットが発生する磁気を検出することで前記ロータの回転角度を検出する磁気センサと、
    前記磁気センサで検出した前記ロータの回転角度に基づき前記巻線に供給する電力を制御する制御装置と、
    前記シャフトの軸を中心とする仮想円の接線に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて前記制御装置と前記巻線とを接続するよう設けられ、前記巻線に供給される電流が流れる第1の導線と、
    前記仮想円と前記接線との接点に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて前記制御装置と前記巻線とを接続するよう設けられ、前記巻線に供給される電流が流れる第2の導線と、
    前記接点に対し前記接線と前記第1の導線との交点とは反対側で前記接線に交わるとともに前記軸に対し平行に延びて前記制御装置と前記巻線とを接続するよう設けられ、前記巻線に供給される電流が流れる第3の導線と、を備え、
    前記第1の導線、前記第2の導線および前記第3の導線のそれぞれに流れる電流の和は、任意の時点において0であり、
    前記接線と前記第1の導線、前記第2の導線および前記第3の導線とのそれぞれの交点をp1、p2およびp3とし、p1とp2との距離をd1、p2とp3との距離をd2とすると、
    前記第1の導線、前記第2の導線および前記第3の導線は、互いに当接することでd1=d2=0の関係を満たすようにして配置されていることを特徴とするモータ。
  4. 前記第1の導線と前記第2の導線との組は、複数設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のモータ。
  5. 前記第1の導線と前記第2の導線と前記第3の導線との組は、複数設けられていることを特徴とする請求項3に記載のモータ。
  6. 請求項1〜5のいずれか一項に記載のモータを用いた電動パワーステアリング装置。
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