JP6441617B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、マグネットトルクとリラクタンストルクを併用するブラシレスモータに関し、特に、ロータコア内にマグネットを埋設したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型モータのステータ構造に関する。

近年、電動オイルポンプなどに使用されるモータとして、熱への耐性を向上させるため、マグネットがロータコア内に埋設され、熱による減磁が生じにくいＩＰＭモータを用いる場合が増大している。ＩＰＭモータは、マグネットトルクとリラクタンストルクを併用することにより、低速域にて高トルク化を図りつつ、Ｉｄ電流によって磁束を弱めることにより、低負荷領域での高回転化を実現できる。このため、広範囲な稼働領域を１台のモータでカバーすることができ、低回転−高トルク，低負荷−高回転が求められ、オイル自体が熱源となるような熱環境下で使用される電動オイルポンプなどの駆動源として重用されている。

特開2005-184994号公報

しかしながら、ＩＰＭモータでは、マグネットトルクとリラクタンストルクのバランスが悪いと両トルクをうまく活用できず、特にマグネットとして磁力の強い高価なネオジムマグネットを使用する場合、マグネットトルクを無駄に使用することもあって、効率が良くない。図７は、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒのバランスが良くない状態を示した例である。（ａ）の場合、Ｔｍが主となりＴｒは進角βが小さい側に小さいピークを持つため、リラクタンストルクを十分に利用できない。これに対し（ｂ）の場合は、Ｔｒのピークは大きくβも大きいことから、大きなリラクタンストルクを利用できるものの、βが大きいためマグネットトルクが低い状態となり、トータルトルクＴｔが小さくなってしまう。

また、回転数に関しては、（ａ）の場合、Ｔｍが高い（磁束が高い）ため、ω＝Ｖ／φのφが大きくなり出力（回転数）が小さくなる。一方、（ｂ）の場合は、φがβのＩｄ減磁電流によって小さくなるため高出力（高回転）とはなるが、前述のように、トータルトルクが小さくなる。ＩＰＭモータにおいては、最大トルク制御時に最大のトルクが出せ、さらに、低負荷時には高出力が得られる磁気回路設計が必要であるが、モータの体格は要求されるトルクによって左右され、所望の性能を得るには、結局のところコイルを巻くか、マグネットを大きくする必要があり、モータの小型化、低コスト化が難しいという問題があった。

本発明の目的は、最大トルクと出力のバランスが良く、小型化・高出力化が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、磁性材料にて形成され、リング状のバックコア部と、前記バックコア部から径方向内側に向かって突出形成された複数個のティースと、該ティース間に形成され前記ティースに巻装された巻線が収容されるスロットと、を備えるステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置され、磁性材料にて形成されたロータコアと、前記ロータコア内に固定された複数個のマグネットと、を備えるロータと、を有し、前記マグネットの磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクによって前記ロータを回転させるＩＰＭ型のブラシレスモータであって、前記マグネットの数Ｐと前記スロットの数Ｓが２Ｐ３Ｓの整数倍に設定され、最大トルク制御時における回転数が、ｄ軸電流Ｉｄを供給しない場合よりも３１％以上増大するように、前記バックコア部の径方向の幅寸法Ｗｙと前記ティースの周方向の幅寸法Ｗｔの比Ｗｙ：Ｗｔが１：２.０〜２.５に形成されてなることを特徴とする。

本発明にあっては、Ｗｙ：Ｗｔを１：１.４〜２.５に設定することにより、最大トルク制御時におけるトルクや回転数をバランス良く増加させることができる。従って、最大トルクと回転数のバランスが良好な２Ｐ３Ｓ構成のＩＰＭ型ブラシレスモータを提供でき、コストアップを招来することなく、モータの小型化・高出力化を図ることが可能となる。

加えて、前記ブラシレスモータをオイルポンプの駆動源として使用しても良い。オイルポンプのように耐熱性が求められる装置の駆動源として当該モータを使用することにより、耐熱性の要件を満たしつつ装置の小型軽量化を図ることが可能となる。

本発明のブラシレスモータによれば、ステータにおけるバックコア部の径方向の幅寸法Ｗｙとティースの周方向の幅寸法Ｗｔの比Ｗｙ：Ｗｔを１：１.４〜２.５に設定することにより、最大トルク制御時におけるトルクや回転数をバランス良く増加させることができる。従って、小型化・高出力化が難しかったＩＰＭモータにおいても、最大トルクと回転数のバランスが良好な２Ｐ３Ｓ構成のＩＰＭ型ブラシレスモータを提供でき、コストアップを招来することなく、モータの小型化・高出力化を図ることが可能となる。

本発明の一実施の形態であるブラシレスモータを駆動源として用いた電動ポンプの構成を示す断面図である。 図１の電動ポンプにて使用されているブラシレスモータの構成を示す断面図である。 ティースの幅Ｗｔとバックコア部の幅Ｗｙの比（Ｗｔ／Ｗｙ）と、回転数及びトルクの増加率との関係を示したグラフである。 回転数とトルクの関係を示すグラフである。 （ａ）トルクや（ｂ）回転数の増加率を示す説明図である。 バックコア部が円弧状ではない場合のバックコア部の幅Ｗｙの求め方を示す説明図である。 マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒのバランスが良くない状態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駆動源として用いた電動ポンプ１０の構成を示す断面図である。電動ポンプ１０は、例えば、自動車に搭載されたミッションにオイルを供給するオイルポンプであり、モータ部１と、ポンプ部２、制御部３を備えた構成となっている。ポンプ部２は、モータ部１に連結され、モータ部１と同軸上に配置されている。制御部３は、モータ部１とポンプ部２の外周面側に設けられており、ＦＥＴやＩＣ素子等が搭載された制御基板４が配置されている。

モータ部１には、ロータ内にマグネットを埋め込み、マグネットトルクとリラクタンストルクによってロータを回転させるＩＰＭ型のブラシレスモータ５（以下、モータ５と略記する）が配置されている。図２は、モータ５の構成を示す説明図である。モータ５は、外側にステータ（固定子）６、内側にロータ（回転子）７を配したインナーロータ型の構成となっている。ステータ６は、合成樹脂にて形成された有底略円筒状のモータケース８内にインサート成形されている。

ステータ６は、ステータコア１１と、ステータコア１１に巻装されたコイル１２とを備えている。ステータコア１１は、鋼製の板材（例えば、電磁鋼板）を多数積層して形成されており、リング状のバックコア部１３と、バックコア部１３から径方向内側に向かって突設された複数個のティース１４を有している。ティース１４には、インシュレータ１５を介して、コイル１２が巻装されている。隣接するティース１４の間には、スロット１６が形成されている。モータ５では、ティース１４は６個設けられており、６スロット構成となっており、スロット１６内にはコイル１２が収容されている。

ステータ６の内側には、非磁性体（例えば、ステンレス）により有底筒状に形成されたキャン１７が挿入されている。キャン１７内には、ステータ６と同芯状にロータ７が挿入されている。キャン１７の内部はオイルで満たされており、モータ５は、キャン１７によりオイルがステータ６側へ侵入することを防ぐ構造となっている。ロータ７は回転軸１８を有しており、回転軸１８は、ポンプ部２側に向かって突出しており、この突出した部位にポンプ部２が配置されている。回転軸１８のステータ６に対応する位置には、ロータコア１９が外嵌固定されている。ロータコア１９もまた、鋼製の薄板材を積層して形成されている。

ロータコア１９の外周近傍には、周方向に沿って、複数個のマグネット取付孔２１が等間隔で設けられている。マグネット取付孔２１は、ロータコア１９を軸方向に貫通している。マグネット取付孔２１内には、それぞれマグネット２２が収容固定されており、モータ５は、ＩＰＭ構造のブラシレスモータとなっている。電動ポンプ１０は、自動車のボンネット内など、高温雰囲気下に配置されることが多く、またオイル自体が熱を持つため、熱耐性の高いＩＰＭモータが使用される。

各マグネット２２の外周側には、ロータコア１９の中心より径方向外側に中心を持って円弧状に形成された突極部２３が形成される。マグネット２２は、周方向に沿って４個配置されており、モータ５は４極６スロット（４Ｐ６Ｓ）構成となっている。マグネット取付孔２１内には、マグネット２２の周方向両側に空隙部２４が形成されている。空隙部２４は、磁束が通りにくいフラックスバリアとして機能する。隣接する突極部２３の間には、ロータコア本体１９ａと突極部２３とを連結するためのブリッジ部２５が設けられている。

ポンプ部２は、ポンプケース３１とブラケット３２とからなり、モータ部１上に配置される。ポンプケース３１は、例えばアルミダイキャストにより形成され、モータケース８の開口部８ａを閉塞するように設けられる。ブラケット３２もまた、例えばアルミダイキャストにより形成され、ポンプケース３１のモータ部１とは反対側に取り付けられる。ポンプケース３１の内部には、オイルを吸入、吐出するためのポンプ室３３が形成されている。回転軸１８は、ポンプケース３１を貫通し、ポンプ室３３内に突出している。ポンプ部２は、いわゆるトロコイド式ポンプを構成している。制御部３は、モータ５の駆動制御を行うものであり、モータケース８と一体成形された制御部ケース３４内に収容されている。制御部ケース３４内には制御基板４が配置されており、合成樹脂製の制御部カバー３５が取り付けられている。

一方、モータ５には、熱耐性の高いＩＰＭモータが使用されるが、前述のように、ＩＰＭモータでは、マグネットトルクとリラクタンストルクをうまく活用できず、モータの小型化、低コスト化が難しいという問題があった。発明者らの検討によると、マグネットトルクとリラクタンストルクの両立は、磁束量φが鍵となっており、そのφは、磁路となるステータ幅とバックコアの幅のマッチングに大きく依存する。

このような考察に鑑み、本発明によるモータ５では、最大トルクと出力（回転数）のバランスを取るべく、ティース１４の周方向の幅寸法Ｗｔとバックコア部１３の径方向寸法Ｗｙの比を最適化し、それを「１：１.４〜２.５」、より好ましくは、「１：１.５〜２.０」に設定することにより、モータの小型化・高出力化を実現している。なお、バックコア部１３が円弧状ではない場合は、最内径と最外径の平均値を基準としてＷｙを求める（図６参照）。

図３は、ティース１４の幅Ｗｔとバックコア部１３の幅Ｗｙの比（Ｗｔ／Ｗｙ）と、回転数及びトルクの増加率との関係を示したグラフである。この場合、縦軸の増加率は、それぞれ、ｄ軸電流Ｉｄ＝０Ａ時における回転数やトルクを１とし、それが、Ｗｔ／Ｗｙを変化させて最大トルク制御を行ったとき、どれだけ増加したかを示している。例えば、回転数では、縦軸の数値「１.３２」は、Ｉｄ＝０Ａに対し回転数が３２％増加したことを意味しており、どれだけ弱め磁束を活用できているかが示されている。また、トルクでは、縦軸の数値「１.２０」は、Ｉｄ＝０Ａに対しトルクが２０％増加したことを意味しており、どれだけリラクタンストルクを活用できているかが示されている。なお、図３のグラフでは、マグネットトルクは一定となっている。

図３に示すように、回転数・トルクの何れも、ＷｔとＷｙの比が１.４近傍にて変曲点を持ち、１.５〜２.０ではほぼ同じ値となる。回転数は、１.５〜２.０を最大として、２.０を超えると低下する。トルクは、１.５〜２.０にて横ばいとなった後、２.０を超えると増加する。図３において領域Ａは、バックコア幅Ｗｙがティース幅Ｗｔに比して広めの状態である。この場合、バックコア部１３が広いため磁束φが流れやすいことから、マグネットトルクが主となる傾向がある。従って、大きなリラクタンストルクを得ることができず、図７（ａ）と同様に、トータルトルクＴｔは小さくなってしまう。また、領域Ｂは、ティース幅Ｗｔがバックコア幅Ｗｙに比して広めの状態である。この場合、バックコア部１３の磁気抵抗が高くなることから、磁束φが弱くなり、ロータへの局部的な磁気飽和を抑制する効果からリラクタンストルクＴｒを多く得ることができる。しかしながら、進角が大きくなるため、マグネットトルクＴｍが減少し、図７（ｂ）と同様に、トータルトルクＴｔは小さくなってしまう。

そこで、このような関係に基づき、トルクが最大（１.２２）となる１.５〜２.０のゾーンから、０.５％の低下を許容範囲とすると、Ｗｔ／Ｗｙを１.４〜２.５の範囲に設定することが好ましいことが分かる。この場合、回転数は、Ｗｔ／Ｗｙが２.０を超えると増加するため、Ｗｔ／Ｗｙの下限値が問題となるが、Ｗｔ／Ｗｙを１.４〜２.５とすると、回転数も最大（１.３２）から０.５％以内の低下範囲に収まる。また、図３から分かるように、Ｗｔ／Ｗｙの値としては１.５〜２.０のゾーンが最も好ましく、最大トルク制御時におけるトルクが、ｄ軸電流Ｉｄを供給しない場合よりも２１％以上増大する。さらに、Ｗｔ／Ｗｙを２.０〜２.５に設定すれば、最大トルク制御時における回転数が、ｄ軸電流Ｉｄを供給しない場合よりも３１％以上増大し、回転数重視のモータであればこの設定も好ましい。図４は、回転数とトルクの関係を示すグラフであり、図４に示すように、Ｗｔ／Ｗｙが１.５側の方が最大回転数は抑えられるものの、最大トルクが大きくなることからトルク型、２.５側の方が最大トルクは抑えられるものの、最大回転数が大きくなることから回転数型のモータとなる。

このように、本発明にあっては、Ｗｔ／Ｗｙを１.４〜２.５に設定することにより、最大トルクと回転数のバランスが良好なＩＰＭ型のブラシレスモータ（２Ｐ３Ｓ×ｎ構成：ｎは正の整数）を提供することが可能となる。すなわち、図５に示すように、最大トルク制御時におけるトルクや回転数を、それぞれ２２％,３２％させることが可能となり、小型化・高出力化が難しかったＩＰＭモータにおいて、コストアップを招来することなく、小型化・高出力化を実現することが可能となる。また、オイルポンプのように耐熱性が求められる装置の駆動源として当該モータを使用することにより、耐熱性の要件を満たしつつ装置の小型軽量化を図ることが可能となる。

本発明は前述のような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、４極６スロット構成のブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、極−スロットの関係は４Ｐ６Ｓには限定されず、他の２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のモータにも本発明は適用可能である。また、バックコア部が一体成形された場合のステータコアについての例を示したが、バックコア部が周方向に分割された、いわゆる分割コア方式のステータコアにも本発明は適用可能である。さらに、前述の実施形態では、ロータの磁極部分が、ロータコアの中心より径方向外側に中心を持って円弧状に形成された突極部からなる異形形状のロータについての例を示したが、外周が真円形状のロータにも本発明は適用可能である。

前述の実施形態では、オイルポンプの駆動源として使用されるモータに本発明を適用した例を示したが、その適用対象はこれらには限定されず、各種車載電装品や、電気自動車、ハイブリッド自動車、エアコン等の家電製品、各種産業機械等に使用されるモータにも本発明は適用可能である。

１ モータ部
２ ポンプ部
３ 制御部
４ 制御基板
５ ブラシレスモータ
６ ステータ
７ ロータ
８ モータケース
８ａ 開口部
１０ 電動ポンプ
１１ ステータコア
１２ コイル
１３ バックコア部
１４ ティース
１５ インシュレータ
１６ スロット
１７ キャン
１８ 回転軸
１９ ロータコア
１９ａ ロータコア本体
２１ マグネット取付孔
２２ マグネット
２３ 突極部
２４ 空隙部
２５ ブリッジ部
３１ ポンプケース
３２ ブラケット
３３ ポンプ室
３４ 制御部ケース
３５ 制御部カバー
Ｔｍ マグネットトルク
Ｔｒ リラクタンストルク
Ｔｔ トータルトルク
Ｗｔ ティース幅寸法
Ｗｙ バックコア幅寸法

Claims (2)

1. 磁性材料にて形成され、リング状のバックコア部と、前記バックコア部から径方向内側に向かって突出形成された複数個のティースと、該ティース間に形成され前記ティースに巻装された巻線が収容されるスロットと、を備えるステータと、
   前記ステータの内側に回転自在に配置され、磁性材料にて形成されたロータコアと、前記ロータコア内に固定された複数個のマグネットと、を備えるロータと、を有し、
   前記マグネットの磁気的吸引力によるマグネットトルクと、磁路のインダクタンス差に基づくリラクタンストルクによって前記ロータを回転させるＩＰＭ型のブラシレスモータであって、
   前記マグネットの数Ｐと前記スロットの数Ｓが２Ｐ３Ｓの整数倍に設定され、
   最大トルク制御時における回転数が、ｄ軸電流Ｉｄを供給しない場合よりも３１％以上増大するように、前記バックコア部の径方向の幅寸法Ｗｙと前記ティースの周方向の幅寸法Ｗｔの比Ｗｙ：Ｗｔが１：２.０〜２.５に形成されてなる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であって、前記ブラシレスモータは、オイルポンプの駆動源として使用されることを特徴とするブラシレスモータ。

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