JP5523112B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータに関し、特に、低トルクリップル・高出力であると共に制御性にも優れたブラシレスモータに関する。

従来より、ブラシレスモータの静粛性能を向上させるため、正弦波駆動によって通電の切り替わりを滑らかにし、トルククリップルを低減させる制御方式が知られている。正弦波駆動では、誘起電圧波形が正弦波形状となるモータに対し、電流値が正弦波状に変化する電流を供給する。これにより、正弦波駆動モータは、通常の120°矩形波駆動のモータに比して、トルクリップルが小さくなる。また、トルクリップルを低減させる方法としては、ロータ磁極等を軸方向に傾斜させるスキュー構造も広く知られている。スキュー構造を採用したモータでは、誘起電圧波形の高調波成分が低減するため、誘起電圧波形を滑らかな正弦波形にすることができる。従って、正弦波駆動時のトルクリップル低減効果がより向上する。

ところが、スキュー構造のモータでは、スキュー角を大きくすると、高調波成分と共に、誘起電圧の基本波成分も低下する。モータの出力トルクは、概ね、誘起電圧とモータ電流との積となるため、トルクの大きさは、専ら基本波成分に依存する。このため、トルクリップル低減のため、スキュー角を大きくすると、モータトルクが減少し、電圧利用率が低くなる。その一方、モータトルク確保のため、スキューを小さくし、誘起電圧の低下を抑えたモータ仕様とすると、その分、高調波成分が増加するため、トルクリップルが増大する、という問題が生じる。

そこで、近年では、電圧利用率向上とトルクリップル低減を両立すべく、誘起電圧の高調波成分を打ち消すように、モータ駆動電流に高調波成分を含ませる制御方式が提案されている。この制御方式では、小角度のスキューで基本波成分を確保しつつ、モータ駆動電流の高調波成分により誘起電圧を正弦波波形とし、トルクリップルを抑えつつモータの出力アップを実現している。
特開2006-174692号公報

しかしながら、前述のようなモータ駆動電流に高調波成分を含ませる制御方式では、高調波成分に合わせて制御周期を設定する必要がある。従って、波長の短い高次の高調波成分が多く含まれる制御形態では、制御周期を非常に短くしなければならないという問題があった。このため、非常に制御がしにくく、また、その分、制御系にも負担やコストがかかるという問題が生じていた。

本発明の目的は、低トルクリップル、高出力を同時に満たしつつ、容易に制御可能なブラシレスモータを提供することにある。

本発明のブラシレスモータは、２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータであって、前記ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の含有率が全高調波成分に対して９０％以上となるように、前記ロータ又は前記ステータのスキュー角を電気角３６°≦θskew≦５７°に設定し、線間誘起電圧を略台形波化すると共に、基本波に対する前記５次高調波成分の含有率を４.５％〜６.５％としたことを特徴とする。

本発明にあっては、２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータにて、誘起電圧の５次高調波成分の含有率を基本波に対して４.５％〜６.５％に設定することにより、正弦波駆動に対してトルクや回転数が効果的に増大する。

前記ブラシレスモータにおいて、前記磁極を形成するマグネットの周方向の幅Ｗｍと、前記マグネットの内径円における中心角θｐ＝３６０°／極数２ｎの円弧に形成される弦の長さＷｐとの比Ｗを、０.７６＜Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ＜０.８６に設定しても良い。これにより、２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータにて、ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を４.５％〜６.５％にすることができる。

また、前記ブラシレスモータを、６個（ｎ＝３）の前記磁極と、９個の前記スロットを有する６極９スロット構造としても良く、前記ブラシレスモータを、電動パワーステアリングの駆動源として使用しても良い。本発明によるブラシレスモータの場合、低トルクリップル、高出力を同時に満たし、しかも制御が容易であることから、トルクリップルへの要求が厳しく、小型・高出力化が求められる電動パワーステアリング用のモータとして特に有用である。

本発明のブラシレスモータは、いわゆる２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータにて、誘起電圧の５次高調波成分の含有率が全高調波成分に対して９０％以上となるように、前記ロータ又は前記ステータのスキュー角を電気角３６°≦θskew≦５７°に設定し、線間誘起電圧を略台形波化すると共に、基本波に対する前記５次高調波成分の含有率を４.５％〜６.５％に設定することにより、正弦波駆動に対してトルクや回転数を効果的に増大させることが可能となる。また、低トルクリップル、高出力化が図られると共に、従来よりも制御周期を長くすることができ、モータの駆動制御が容易となる。

また、磁極を形成するマグネットの周方向の幅Ｗｍと、マグネットの内径円における中心角θｐ＝３６０°／極数２ｎの円弧に形成される弦の長さＷｐとの比Ｗを、０.７６＜Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ＜０.８６に設定することにより、２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータにて、ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の基本波に対する含有率を４.５％〜６.５％に設定することができる。

本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。 図１のモータにおけるステータの構成を示す説明図である。 ロータのスキュー角についての説明図である。 図１のモータにおけるマグネットの形状を示す説明図である。 誘起電圧中の５次高調波成分の含有率と、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率との関係を示したグラフである。 ６極９スロットのモータにおけるスキュー角（機械角）と、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率との関係を示したグラフである。 ６極９スロットのモータにおけるスキュー角（機械角）と、誘起電圧中の５次高調波成分の含有率との関係を、マグネット形状（比Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ）をパラメータとして調べた結果を示したグラフである。 ６極９スロットのモータにおける比Ｗと、誘起電圧中の基本波減少率との関係を示すグラフである。 スキューをステータ側に配したモータのステータ構成を示す説明図である。

符号の説明

１ ブラシレスモータ ２ ステータ
３ ロータ ４ ケース
５ ステータコア ５ａ ティース
５ｂ 溝 ６ コイル
６ａ 端部 ７ バスバーユニット
８ ブラケット ９ 分割コア
１１ インシュレータ １２ 給電用端子
１３ ロータシャフト １４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ａ〜１５ｃ ロータコア １６ａ〜１６ｃ マグネット
１６out 外周面 １６in 内周面
１７ａ〜１７ｃ マグネットホルダ １８ マグネットカバー
２１ レゾルバ ２２ ロータ（レゾルバロータ）
２３ ステータ（レゾルバステータ） ２４ レゾルバホルダ
２５ レゾルバブラケット ２６ リブ
２７ 雌ネジ部 ２８ 取付ネジ
θskew スキュー角 θstep ステップ角
Ｍ１〜Ｍ３ マグネット中心点 Ｌ マグネット中心点を結ぶ線
Ｏ ロータ回転中心
Ｐ１,Ｐ２ 直線Ｌとロータコア端部との交点
Ｃ１ 円弧 Ｃ２ マグネット内径円
Ｔ 最外径位置 Ｗ 比
Ｗｍ マグネット幅
Ｗｐ マグネット内径円における中心角θp=360°/極数の円弧に形成される弦の長さ
Ｗ ＷｍとＷｐの比（＝Ｗｍ／Ｗｐ）

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。図１に示すように、ブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、外側にステータ（固定子）２、内側にロータ（回転子）３を配したインナーロータ型のブラシレスモータとなっている。モータ１は、例えば、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の動力源として使用され、自動車のステアリングシャフトに対し動作補助力を付与する。モータ１は、ステアリングシャフトに設けられた減速機構部に取り付けられる。モータ１の回転は、この減速機構部によってステアリングシャフトに減速されて伝達される。

ステータ２は、有底円筒形状のケース４と、ステータコア５、ステータコア５に巻装されたステータコイル６（以下、コイル６と略記する）及びステータコア５に取り付けられるバスバーユニット（端子ユニット）７とから構成されている。ケース４は、鉄等にて有底円筒状に形成されている。ケース４の開口部には、図示しない固定ネジによってアルミダイキャスト製のブラケット８が取り付けられる。

ステータコア５は、図２に示すように、複数個（ここでは９個）の分割コア９を周方向に集めた構成となっている。ステータコア５には、９個のティース５ａが径方向内側に向かって突設されている。ステータコア５の先端には、２ｎ個の溝５ｂが（ここでは２個）が形成されており、擬似スロット効果によるコギング低減が図られている。分割コア９は、電磁鋼板からなるコアピースを積層して形成される。分割コア９の周囲には、合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられている。

インシュレータ１１の外側には、コイル６が巻装されている。ステータコア５の一端側には、コイル６の端部６ａが引き出されている。ステータコア５の一端側には、バスバーユニット７が取り付けられている。バスバーユニット７の合成樹脂製の本体部内には、銅製のバスバーがインサート成形されている。バスバーユニット７の周囲には、複数個の給電用端子１２が径方向に突設されている。バスバーユニット７の取り付けに際し、コイル端部６ａは、この給電用端子１２と溶接される。バスバーユニット７では、バスバーはモータ１の相数に対応した個数（ここでは、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相分の３個）設けられている。各コイル６は、その相に対応した給電用端子１２と電気的に接続される。ステータコア５は、バスバーユニット７を取り付けた後、ケース４内に圧入固定される。

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１３を有している。ロータシャフト１３は、ベアリング１４ａ,１４ｂによって回転自在に支持されている。ベアリング１４ａはケース４の底部中央に、ベアリング１４ｂはブラケット８の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト１３には、円筒形状のロータコア１５ａ〜１５ｃが固定されている。ロータコア１５ａ〜１５ｃの外周には、セグメントタイプのマグネット（永久磁石）１６ａ〜１６ｃが取り付けられている。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、周方向に沿って６個×３列配置されている。つまり、モータ１は、６極９スロット（以下、６Ｐ９Ｓのように略記する）構成となっている。マグネット１６ａ〜１６ｃの外側には、有底円筒形状のマグネットカバー１８が取り付けられている。

モータ１のマグネット１６ａ〜１６ｃは、外周面１６outが内周面１６inに対し偏心した形に形成されている。すなわち、マグネット外周面１６outの中心は、外周面１６outの最外径位置Ｔを通る円弧Ｃ１と同心ではなく、外周面１６outは、内周面１６inよりも小さい半径の円周面となっている。このように、マグネット外周面１６outを偏心形成することにより、コギングの低減が図られる。

マグネット１６ａ〜１６ｃの外側には、合成樹脂製のマグネットホルダ１７ａ〜１７ｃが取り付けられている。マグネット１６ａ〜１６ｃは、マグネットホルダ１７ａ〜１７ｃに保持される形でロータコア１５ａ〜１５ｃの外周に取り付けられる。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、各マグネットホルダ１７ａ〜１７ｃによって軸方向に３列配置されている。各列のマグネット１６ａ〜１６ｃは、径方向に所定ステップ角θstepずつずれた位置関係で取り付けられている。すなわち、モータ１のロータ３は、マグネット１６ａ〜１６ｃが３段積となったスキュー構造となっている。

図３は、ロータ３側のスキュー角についての説明図である。図３に示すように、ステップスキュー構造においては、マグネット１６ａ〜１６ｃの中心点Ｍ１〜Ｍ３（周方向・軸方向共）を結び、このＭ１〜Ｍ３を結ぶ線Ｌとマグネット１６ａ,１６ｃの端部との交点をＰ１,Ｐ２としたとき、Ｐ１,Ｐ２間の回転中心Ｏに対する中心角がマグネットスキュー角θskewとなる。従って、マグネット１６ａ,１６ｂ間、マグネット１６ｂ,１６ｃ間のステップ角θstepは、それぞれ、Ｍ１,Ｍ２、Ｍ２,Ｍ３間の回転中心Ｏに対する中心角となる。また、Ｍ１,Ｐ１間、Ｍ３,Ｐ２間の中心角は、それぞれ、ステップ角θstepの半分（θstep／２）となる。このため、スキュー角θskewは、θstep×（段積み数−１）＋（θstep／２）×２＝θstep×段積み数となる。

マグネットホルダ１７ａの端部には、回転角度検出手段であるレゾルバ２１のロータ（レゾルバロータ）２２が取り付けられている。これに対し、レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、金属製のレゾルバホルダ２４内に圧入され、合成樹脂製のレゾルバブラケット２５に収容されている。レゾルバホルダ２４は有底円筒形状に形成されており、ブラケット８の中央部に設けられたリブ２６の端部外周に軽圧入される。レゾルバブラケット２５とブラケット８には、金属製の雌ネジ部２７がインサートされている。雌ネジ部２７には、ブラケット８の外側から取付ネジ２８がねじ込まれる。これにより、レゾルバホルダ２４がブラケット８の内側に固定される。

ここで、２Ｐ３Ｓの整数倍の構造（モータ１は、２Ｐ３Ｓ×３＝６Ｐ９Ｓ）を有するモータの誘起電圧には、５次以上の奇数次の高調波成分が含まれており、その中でも５次成分が最も多く含まれる。なお、２Ｐ３Ｓ×ｎの場合、３次高調波は、短節巻係数Ｋｐ＝cos{n・(1-β)・π/2｝＝０となるため発生しない（ｎ：次数，β：コイルピッチ／極ピッチ、２Ｐ３Ｓではβ＝２/３となり、ｎ＝３の場合にはcosは０）。また、基本波に５次高調波成分のみを含ませると、線間誘起電圧が略台形波となる。このとき、モータ駆動電流を台形波とすれば、トルクリップルを０に近付けることができる。しかも、台形波電流は、正弦波電流に比して波高値が抑えられるため、ピーク電流値を下げることができる。一方、同じピーク電流値の場合、台形波の方が正弦波よりも多くの電流を流すことができる。従って、誘起電圧を基本波＋５次高調波に調整することにより、トルクリップルを抑えつつ、モータ出力を増大させることが可能となる。

一方、当該モータ１は、前述のようにスキュー構造となっているが、電圧利用率向上とトルクリップル低減を両立すべく、モータ１にも高調波成分を含ませたモータ駆動電流が供給される。ところが、前述の通り、高次の高調波成分が多く含まれると、制御周期が非常に短くなり制御が行いにくくなる。そこで、発明者らは、２Ｐ３Ｓ×ｎ構造のモータの前記特性に着目し、高調波成分を可能な限り５次成分のみとし、他の次数成分を少なくする構成を検討した。そして、各種実験の結果、次の結論を得た。

（１）誘起電圧の基本波に対する５次高調波成分の含有率を４.５％〜６.５％とすると、正弦波駆動に対してトルクや回転数が効果的に増大する。
（２）スキュー角を電気角３６°≦θskew≦５７°とすると、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率が大きく（９０％）なる。なお、電気角３６°≦θskew≦５７°は、６Ｐ９Ｓのモータにおける機械角１２°≦θskew≦１９°に相当する。また、マグネットを段積する場合には、各段ごとのステップ角度にて前述の値を除した値となる（電気角３６°／マグネット積み数≦θstep)≦５７°／マグネット積み数となる。
（３）マグネット１６ａ〜１６ｃの形状を０.７６＜Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ＜０.８６とすると、５次高調波成分の含有率が４.５％〜６.５％となる（Ｗｍ：マグネット幅，Ｗｐ：弦Ｐ−Ｐ（図４参照）の長さ、つまり、マグネット内径円Ｃ２における中心角θｐ＝３６０°／極数（６極では６０°）の円弧に形成される弦の長さ）。なお、図４では、マグネット１６ａについて示したが、他のマグネット１６ｂ,１６ｃも同様の構成となっている。

以下、前記（１）〜（３）のそれぞれについて、実験結果に基づいて説明する。まず、（１）に関し、図５は、５次高調波成分の含有率と、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率との関係を示したグラフである。図５に示すように、５次高調波成分が大きくなるにつれてトルクや回転数も大きくなるが、ある量を超えると逆に低下する。また、トルク増加率と回転数増加率の変化には差異があり、前者は約５％、後者は約６.５％でピークとなる。そこで、両者が３％以上の増加率を確保できる範囲を有効と考え、（１）のように、含有率４.５％〜６.５％が好ましいとの結論を得た。

次に、（２）に関し、図６は、６Ｐ９Ｓのモータにおけるスキュー角（機械角）と、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率との関係を示したグラフである。図６に示すように、スキュー角が大きくなるにつれて５次高調波成分の含有率も大きくなるが、１８°を超える低下し、２２°を超えると急減する。そこで、５次高調波成分の含有率が９０％以上となる範囲を有効と考え、（２）のように、６Ｐ９Ｓにてスキュー角（機械角）１２°≦θskew（機械角）≦１９°、そして、２Ｐ３Ｓ×ｎのモータでは、スキュー角（電気角）３６°≦θskew（電気角）≦５７°が好ましいとの結論を得た。なお、図６はマグネット幅や内外径の偏芯量等を変えたモータにて、前記関係を調べたものであるが、両者の関係には、マグネット形態に依らず同様の傾向が得られた。

さらに、（３）に関し、図７は、６Ｐ９Ｓのモータにおけるスキュー角（機械角）と、誘起電圧中の５次高調波成分の含有率との関係を、マグネット形状（比Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ）をパラメータとして調べた結果を示すグラフである。図７に示すように、比Ｗが小さくなるにつれて５次高調波成分の含有率も大きくなる。そして、Ｗ＜０.８６とすれば、スキュー角（機械角）１２°≦θskew（機械角）≦１９°の範囲で、５次高調波成分の含有率を４.５％にすることができる。これは、６Ｐ９Ｓ構成のみならず、スキュー角（電気角）を３６°≦θskew（電気角）≦５７°に設定した場合、２Ｐ３Ｓ×ｎのモータでは同様の結果が得られる。

一方、図８は、６Ｐ９Ｓのモータにおける比Ｗと、誘起電圧中の基本波減少率との関係を示すグラフである。図７に示すように、比Ｗが０.７６となると、誘起電圧中の基本波が急激に減少し、モータの出力トルクが著しく低下する。そこで、比Ｗについては、図７,７の結果から、（３）のように、０.７６＜Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ＜０.８６が好ましいとの結論を得た。本発明によるモータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃが、０.７６＜Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ＜０.８６を満たすように形成されている。これにより、モータ１は、前記（１）,（２）の条件が満たされたブラシレスモータとなる。

そこで、本発明に至るプロセスをまとめると次のようになる。すなわち、まず、スキュー構造を採用した２ｐ３ｓ×ｎのブラシレスモータにて、基本波成分の減少を抑えてトルクを確保すべくスキュー角度を小さくする。スキュー角度が小さくなると、誘起電圧の高調波成分含有率が高くなり、そのまま正弦波駆動すると却ってトルクリップルが大きくなる。そこで、モータ駆動電流に高調波成分を重畳させて、誘起電圧の高調波成分を打ち消してトルクリップル低減を図る。しかし、高次の高調波成分が含まれると制御性が悪くなる。このため、誘起電圧が台形波形となり、出力向上とトルクリップル低減に有効な５次成分に高調波成分の含有対象を絞った。

モータ駆動電流への重畳対象を５次高調波成分に絞った上で、トルクや回転数が高くなる範囲に５次高調波成分の含有率を設定する。この値が（１）含有率４.５％〜６.５％である。また、全高調波成分中の５次高調波成分の含有率が大きくなるように、スキュー角を設定する。この値が（２）電気角３６°≦θskew≦５７°である。一方、発明者らの各種実験により、スキュー角と誘起電圧中の５次高調波成分の含有率との関係は、マグネット形状によって変化することが明らかとなり、比Ｗが０.８６未満のとき（１）,（２）の条件が満たされることが分かった。また、比Ｗが０.７６以下となると、誘起電圧中の基本波が急激に減少し、モータの出力トルクが著しく低下することが分かり、その結果、（３）の条件を得た。

このように、本発明のブラシレスモータでは、高調波成分を含ませたモータ駆動電流を供給することにより、電圧利用率の向上とトルクリップルの低減を図りつつ、モータ出力を向上させることができ、効率の良いブラシレスモータを提供することが可能となる。また、高調波成分が５次成分に限定されるため、高次の高調波成分が多く含まれる場合のように、制御周期を非常に短くする必要がなく、モータの駆動制御も容易となる。さらに、制御系の負担も軽減され、制御回路等のコスト低減も図られる。

本発明は前記実施例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、前述の実施例では、コラムアシスト式のＥＰＳに使用されるブラシレスモータを示したが、他の方式のＥＰＳ用モータにも本発明は適用可能である。加えて、ＥＰＳや各種車載電動品用のモータのみならず、本発明は、広くブラシレスモータ一般にも適用可能である。また、前述の実施例では、マグネットを６個用いた６極９スロットのブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、モータのマグネットやスロットの構成はこれには限定されず、本発明は、２極３スロットの整数倍の構成のブラシレスモータに広く適用可能である。

さらに、本発明は、ロータ３側にスキューを施したモータのみならず、ステータ２側にスキューを施したモータにも適用可能である。発明者らの実験によれば、図９のようにステータ２側をスキューさせたモータにおいても、図６,７と同様の関係が得られた。すなわち、電気角３６°≦θskew≦５７°のとき、全高調波成分中の５次高調波成分の含有率が大きくなり、比Ｗが０.８６未満のとき（１）,（２）の条件が満たされ、比Ｗが０.７６以下となると、誘起電圧中の基本波が急激に減少した。

Claims (4)

1. ２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータであって、
   前記ブラシレスモータの誘起電圧に含まれる５次高調波成分の含有率が全高調波成分に対して９０％以上となるように、前記ロータ又は前記ステータのスキュー角を電気角３６°≦θskew≦５７°に設定し、線間誘起電圧を略台形波化すると共に、基本波に対する前記５次高調波成分の含有率を４.５％〜６.５％としたことを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、
   前記磁極を形成するマグネットの周方向の幅Ｗｍと、前記マグネットの内径円における中心角θｐ＝３６０°／極数２ｎの円弧に形成される弦の長さＷｐとの比Ｗが、０.７６＜Ｗ＝Ｗｍ／Ｗｐ＜０.８６であることを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、６個（ｎ＝３）の前記磁極と、９個の前記スロットを有する６極９スロット構造であることを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリングの駆動源として使用されるモータであることを特徴とするブラシレスモータ。
   

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