JP6838840B2 - ブラシレスモータ及び電動パワーステアリング装置用モータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータに関し、特に、自動車等の車両に搭載される電動パワーステアリング（以下、ＥＰＳと略記する）装置用モータに適用して有効なブラシレスモータに関する。

自動車等の車両に搭載されるＥＰＳシステムは、車両の操舵性に大きな影響を及ぼすため、それ自身高い安全性が求められる。このため、近年のＥＰＳシステムでは、従来は１系統のみであった機能を独立した多重系統とし、仮に片方の系統が故障しても、残りの系統で機能を継続し得るような構成が取り入れられている。その結果、ＥＰＳシステムに使用される電動モータも同様の対応が求められ、例えば特許文献１,２のように、通電される電流の系統を独立した２つの系統に分ける構成も提案されている。この場合、２系統の通電巻線の配置としては、例えば、特許文献１のように、２系統の通電巻線を左右対称に配したもの（図７（ａ））や、２系統の同相巻線を１組とし、それらを周方向に交互に配置したもの（図７（ｂ））が知られている。

特許第4492781号公報 特許第3875188号公報

しかしながら、特許文献１の［第１実施形態］に記載された各相の巻線配置にすると、片方の系統が故障し、残りの系統のみでモータを回転させる場合、通電巻線が周方向に偏って存在する状態となる。このため、両系統が機能している場合に比して磁気的にアンバランスな状態となり、振動が大きくなってしまうという問題がある。

また、特許文献１の［他の実施形態］に記載の第１系統の巻線と第２系統の巻線とを分散させた巻線配置にすると、片方の系統が故障し、残りの系統のみでモータを回転させる場合、通電巻線が対称位置に存在しないため、両系統が機能している場合に比して磁気的にアンバランスな状態となり、振動が大きくなってしまうという問題がある。このため、特許文献１当該モータが組み込まれているシステムに良くない影響を与えてしまうおそれがあり、特に、ＥＰＳシステムでは、モータの振動が大きくなると、車両への影響や、運転者の操舵感の低下などが懸念されるという課題があった。

これに対し、特許文献２のモータでは、２系統の巻線が周方向に交互に配置され、同系統の同相巻線が１８０°対向して配置されている（図７（ｃ））。このため、片方の系統が故障しても、残りの通電巻線が対称位置に存在し、特許文献１のような配置に比して、１系統故障時に大きな振動は発生しにくい。しかしながら、特許文献２の巻線配置の場合、２つの通電系統で誘起電圧波形の位相に違いが生じるため、通常のモータ駆動時に通電位相を異ならせるなどの制御上の工夫が必要となる。つまり、かかる巻線配置は、非常時における振動は回避できるものの、通常時における制御の難易度が高くなる。

一方、ＥＰＳモータは、安全性のみならず、小型で高出力であり、しかも、低トルクリップル、低コギングであることも求められる。このため、それらを達成する有効な１つの手段として、モータの磁極とスロットの数を１０極１２スロットにしたり、１４極１２スロットにしたりすることが考えられる。しかしながら、これらの極・スロット数の組み合せは、他の組み合せに比べて、磁気回路が楕円に変形し易い傾向があり、共振した場合に大きな振動が発生してしまう可能性が高い。このため、１０極１２スロットや１４極１２スロットで独立した２系統回路を採用した場合、片系統でのみ駆動すると、特に大きな振動が発生することが予想され、これらの極・スロット数の組み合わせでも、片系統駆動時に振動を小さくする方策が求められていた。

本発明の目的は、１０極１２スロットや１４極１２スロット構成のブラシレスモータにおいても、片系統の通電駆動時における振動を小さく抑えることにある。

本発明のブラシレスモータは、ステータと、該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個のティースと、該ティースに集中巻にて巻装され互いに通電系統を異にする２系統の巻線と、を備え、前記ロータは、１０個又は１４個のマグネットを備えてなるブラシレスモータであって、前記ステータには、通電系統を異にする同相の前記巻線が隣接して配置されると共に、各通電系統においてそれぞれ１箇所、同系統に属する前記巻線が隣接して配置されることを特徴とする。

本発明にあっては、１０極１２スロット又は１４極１２スロット構成のブラシレスモータにおいて、（Ａ）系統の異なる同相の巻線を隣接配置すると共に、（Ｂ）各系統において、それぞれ１箇所、同系統に属する巻線を隣接配置する。これにより、片方の通電系統が故障し、残りの系統のみでモータを駆動させる場合においても、従来の巻線配置のモータに比して、電磁力の変動が抑えられ、１系統駆動時におけるモータの振動が低減される。

前記ブラシレスモータにおいて、前記巻線のうち、隣接して配置された同系統に属する前記巻線の組を、前記ステータの中心を基準として１８０°対向した位置に配設しても良い。また、前記巻線のうち、同系統に属する同相の前記巻線を、前記ステータの中心を基準として１５０°離間した位置に配設しても良い。

一方、本発明の電動パワーステアリング装置用モータは、前述の何れかのブラシレスモータを用いたことを特徴としており、本発明にあっては、片方の通電系統が故障し、他方の残った通電系統のみにてモータが駆動される場合も、モータの振動が小さく抑えられる。このため、故障時のモータ振動による車両への影響や、運転者の操舵感の低下などを低減できる。

本発明のブラシレスモータは、１２個のティースを備えたステータと、１０個又は１４個のマグネットを備えたロータと、を有するブラシレスモータにて、系統の異なる同相の巻線を隣接配置すると共に、各系統においてそれぞれ１箇所、同系統に属する巻線を隣接配置するようにしたので、片方の通電系統が故障し、残りの系統のみでモータを駆動させる場合においても、従来の巻線配置のモータに比して、電磁力の変動を抑えることができ、１系統駆動時におけるモータの振動を低減させることが可能となる。

本発明の電動パワーステアリング装置用モータは、１２個のティースを備えたステータと、１０個又は１４個のマグネットを備えたロータと、を有し、系統の異なる同相の巻線を隣接配置すると共に、各系統においてそれぞれ１箇所、同系統に属する巻線を隣接配置したブラシレスモータを用いるようにしたので、片方の通電系統が故障し、残りの系統のみでモータを駆動させる場合においても、従来の巻線配置のモータに比して、電磁力の変動を抑えることができ、１系統駆動時におけるモータの振動が低減される。このため、故障時のモータ振動による車両への影響や、運転者の操舵感の低下などを低減させることができ、電動パワーステアリング装置用として好適なモータを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１であるブラシレスモータ（１４Ｐ１２Ｓ）の構成を示す説明図である。 図１のブラシレスモータが使用されるＥＰＳシステムの構成を示す説明図である。 図１のブラシレスモータにおける２系統の通電巻線の配置を示す説明図である。 通電系統が故障した場合に通電される巻線を示す説明図であり、（ａ）は第１系統が故障した場合、（ｂ）は第２系統が故障した場合をそれぞれ示している。 従来の巻線配置と本発明による巻線配置において、１系統のみを通電した場合にステータに生じる電磁力の推移を示した説明図である。 本発明の実施の形態２であるブラシレスモータ（１０Ｐ１２Ｓ）の構成を示す説明図である。 従来のブラシレスモータの巻線配置を示す説明図である。

（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、図２は、モータ１が使用されるＥＰＳシステム（ＥＰＳ装置）２０の構成を示す説明図である。モータ１は、ＥＰＳシステム２０の動力源として使用され、外側にステータ２、内側にロータ３を配したインナーロータ型ブラシレスモータとなっている。

ステータ２は、ハウジング４と、ハウジング４の内周側に固定されたステータコア５、及び、ステータコア５に巻装された３相（Ｕ,Ｖ,Ｗ）の巻線（コイル）６とを備えた構成となっている。ステータコア５は鋼板を多数積層した構成となっており、リング状のヨーク部７と、ヨーク部７から内側方向へ突設された複数個のティース８とから形成されている。モータ１では、ティース８は１２個設けられている。各ティース８の間にはスロット９が形成されており、モータ１は、１２個のスロット９を備えた１２スロット構成となっている。スロット９内には、ティース８に巻装された巻線６が収容されている。

ロータ３はステータ２の内側に配設されており、回転軸１１と、ロータコア１２、マグネット１３を同軸状に配した構成となっている。回転軸１１の外周には、鋼板を多数積層した円筒形状のロータコア１２が取り付けられている。ロータコア１２の外周には、マグネット１３が固定されている。マグネット１３は周方向に沿って１４個配置されており、モータ１は、１４極１２スロット（１４Ｐ１２Ｓ）構成となっている。

このようなモータ１にて駆動されるＥＰＳシステム２０は、ステアリングシャフト２１に対し動作補助力を付与するコラムアシスト式の構成となっている。ステアリングシャフト２１にはステアリングホイール２２が取り付けられており、ステアリングホイール２２の操舵力は、ステアリングギヤボックス２３内に配された図示しないピニオンとラック軸を介して、タイロッド２４に伝達される。タイロッド２４の両端には車輪２５が接続されており、ステアリングホイール２２の操作に伴ってタイロッド２４が作動し、図示しないナックルアーム等を介して車輪２５が左右に転舵する。

ＥＰＳシステム２０では、ステアリングシャフト２１に、操舵力補助機構であるアシストモータ部２６が設けられている。アシストモータ部２６には、モータ１と共に、減速機構部２７とトルクセンサ２８が設けられている。減速機構部２７には、図示しないウォームとウォームホイールが配されており、モータ１の回転は、この減速機構部２７によって、ステアリングシャフト２１に減速されて伝達される。モータ１とトルクセンサ２８は、制御装置（ＥＣＵ）２９に接続されている。

ステアリングホイール２２が操作され、ステアリングシャフト２１が回転すると、トルクセンサ２８が作動する。ＥＣＵ２９は、トルクセンサ２８の検出トルクに基づいて、モータ１に対し適宜電力を供給する。モータ１が作動すると、その回転が減速機構部２７を介してステアリングシャフト２１に伝達され操舵補助力が付与される。ステアリングシャフト２１は、この操舵補助力と手動操舵力によって回転し、ステアリングギヤボックス２３内のラック・アンド・ピニオン結合により、この回転運動がラック軸の直線運動に変換され、車輪２５の転舵動作が行われる。

一方、本発明によるモータ１においても、冗長性確保のため通電系統の多重化が図られており、独立した２つの通電系統によって駆動される。このため、巻線６も２つの独立した系統に分けて配線されている。図３は、２系統の通電巻線の配置を示す説明図であり、図中のＵ,Ｖ,Ｗの後の数字（１,２）は、その巻線が属する系統（第１通電系統又は第２通電系統）を示している。モータ１の巻線６は集中巻きにてＹ結線されており、図３に示すように、まず、（Ａ）系統の異なる同相の巻線（例えば、Ｕ１ａ(＋)とＵ２ｂ(−)：図中の実線丸印）が隣接して配置されている。また、モータ１では、（Ｂ）各系統において、それぞれ１箇所、同系統に属する巻線（例えば、Ｕ１ａ(＋)とＷ１ａ(＋)：図中の破線丸印）が隣接して配置されている。

このような巻線配置では、各系統の同相巻線（例えば、Ｕ１ａ(＋)とＵ１ｂ(＋)）は、ステータ２の中心Ｏ（ロータ３の中心と同じ）を基準として１５０°対向した位置に配される。つまり、１８０°対向はしていないが、そこから３０°だけずれた位置に同相巻線が配置される。また、隣接して配置された同系統に属する巻線の組Ｐ（破線丸印）は、ステータ２の中心Ｏを基準として１８０°対向した位置に配設される。

そこで、本発明によるモータ１では、２系統のうち１つが故障した場合、図４のような形で通電巻線が残存する。図４（ａ）は第１系統が故障した場合、（ｂ）は第２系統が故障した場合をそれぞれ示している。図４（ａ）に示すように、第１系統が故障すると、第２系統の巻線６（Ｕ２,Ｖ２,Ｗ２）のみが通電される。この場合、第２系統の同相の巻線６（例えば、Ｕ２ａ(−)とＵ２ｂ(−)）は、前述のように１５０°対向した位置に存在する。このため、完全な対称位置ではないが、概ね対向した位置の巻線６に通電が行われる。

同様に、第２系統が故障すると、図４（ｂ）に示すように、第１系統の巻線６（Ｕ１,Ｖ１,Ｗ１）のみが通電され、このとき第１系統の同相の巻線６（例えば、Ｕ１ａ(＋)とＵ１ｂ(＋)）は、前述のように１５０°対向した位置に存在する。このため、第２系統が故障した場合も、完全な対称位置ではないが、概ね対向した位置の巻線６に通電が行われる。

図５は、従来の巻線配置（従来例１：図７（ａ），従来例２：（図７（ｂ）））と本発明による巻線配置において、１系統のみを通電した場合にステータに生じる電磁力の推移を示した説明図であり、（ａ）は図３のＸ方向、（ｂ）は同Ｙ方向の電磁力をそれぞれ示している。図５から分かるように、１系統駆動時に発生する径方向の電磁力の変動は、本発明の構成における変動を１とした場合、従来例１は約２、従来例２は約５となっている。すなわち、本発明の構成では、１系統駆動時における電磁力の変動が、従来例１の約１／２、従来例２の約１／５となり、電磁力変動を大幅に低減することが可能となる。

このように、本発明によるモータ１では、前述の（Ａ）及び（Ｂ）の巻線配置を採用することにより、片方の通電系統が故障し、残りの系統のみでモータを駆動させる場合においても、従来の巻線配置のモータに比して、電磁力の変動が抑えられるため、振動を低減させることが可能となる。このため、当該モータ１を使用したＥＰＳシステムにおいても、冗長性を確保しつつ、故障時のモータ振動による車両への悪影響が抑えられ、運転者の操舵感の低下も低減され、操舵フィーリングの向上が図られる。従って、小型・高出力、低トルクリップル、低コギングのため１４極１２スロット構成としたモータにおいても、１系統駆動時における振動が抑えられ、ＥＰＳシステムに最適な電動モータを提供することが可能となる。

なお、図７（ｃ）のような巻線配置の場合は、本発明よりも１系統駆動時における振動が小さいことが予想されるが、前述のように、この巻線配置のモータは、２系統通電時における制御形態が難しくなる。これに対し、本発明の構成の場合、故障時における振動という点では図７（ｃ）の構成の方が優位ではあるが、２系統通電時の制御は容易であり、通常制御の点では本発明の構成の方が優位である。つまり、本発明のモータ１は、稀にしか生じない故障よりも、通常制御を優先した構成であるとも言え、本発明によれば、制御装置の構成・コストも含め、バランスの取れたＥＰＳシステムを提供することが可能となる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２として、本発明の巻線配置を１０極１２スロット構成のモータに適用した例を説明する。図６は、実施の形態２であるブラシレスモータ３１（以下、モータ３１と略記する）のステータ・ロータ構成を示す説明図である。なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様の部材、部分については同一の符号を付し、その説明は省略する。

モータ３１においても、巻線６の配置は、図１のモータ１と同様に次の条件を満たす形で配置されている。
（Ａ）系統の異なる同相の巻線を隣接配置。
（Ｂ）各系統において、それぞれ１箇所、同系統に属する巻線を隣接配置。
すなわち、例えばＵ１ａ(＋)とＵ２ｂ(−)のような、系統の異なる同相の巻線が隣接して配置されると共に、例えばＵ１ａ(＋)とＷ１ａ(＋)のように、各系統中に１箇所、同系統の巻線が隣接して配置されている。

このような巻線配置を採用することにより、片方の通電系統が故障し、残りの系統のみでモータを回転させる場合においても、概ね対向した巻線６に通電が行われる。このため、従来の巻線配置のモータに比して、電磁力の変動が小さくなり、振動の発生を抑えることが可能となる。従って、小型・高出力、低トルクリップル、低コギングのため１０極１２スロット構成としたモータにおいても、１系統駆動時における振動が抑えられ、ＥＰＳシステムに最適な電動モータを提供することが可能となる。

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、前述の実施形態では、ロータ外周にマグネットを配したいわゆるＳＰＭ構造のモータに本発明を適用した例を示したが、モータの構成はこれには限定されず、例えば、ロータ内にマグネットを埋設したいわゆるＩＰＭ構造のモータにも本発明は適用可能である。

本発明によるブラシレスモータは、ＥＰＳシステムのみならず、電気自動車や、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適用可能である。

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ハウジング
５ ステータコア
６ 巻線
７ ヨーク部
８ ティース
９ スロット
１１ 回転軸
１２ ロータコア
１３ マグネット
２０ 電動パワーステアリングシステム
２１ ステアリングシャフト
２２ ステアリングホイール
２３ ステアリングギヤボックス
２４ タイロッド
２５ 車輪
２６ アシストモータ部
２７ 減速機構部
２８ トルクセンサ
２９ ＥＣＵ
３１ ブラシレスモータ
Ｏ ステータ中心
Ｐ 巻線組

Claims (4)

1. ステータと、該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個のティースと、該ティースに集中巻にて巻装され互いに通電系統を異にする２系統の巻線と、を備え、
   前記ロータは、１０個又は１４個のマグネットを備えてなるブラシレスモータであって、
   前記ステータには、通電系統を異にする同相の前記巻線が隣接して配置されると共に、各通電系統においてそれぞれ１箇所、同系統に属する前記巻線が隣接して配置され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において、
   前記巻線のうち、隣接して配置された同系統に属する前記巻線の組は、前記ステータの中心を基準として１８０°対向した位置に配設されることを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、
   前記巻線のうち、同系統に属する同相の前記巻線は、前記ステータの中心を基準として１５０°離間した位置に配設されることを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項１〜３記載の何れか１項に記載のブラシレスモータを用いたことを特徴とする電動パワーステアリング装置用モータ。

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