JP7077773B2

JP7077773B2 - モータ

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Publication number: JP7077773B2
Application number: JP2018098727A
Authority: JP
Inventors: 啓功鈴木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-05-23
Publication date: 2022-05-31
Anticipated expiration: 2038-05-23
Also published as: JP2019205271A

Description

本発明は、モータに関するものである。

従来、モータとしては、前記ヨークハウジングの内周面に複数の永久磁石が固定されてなるステータと、前記永久磁石の内側で回転可能に支持されたロータとを備えたものがある。そして、このようなモータの永久磁石としては、径方向内側の面が、周方向中央部に形成された中央円弧部と、該中央円弧部の周方向両側に形成された側方円弧部とを備え、中央円弧部の曲率中心は、ロータの軸中心と同じに設定され、側方円弧部の曲率中心は、ロータの軸中心より遠くに設定されたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－２２９３５号公報

しかしながら、上記のようなモータでは、中央円弧部と側方円弧部との境界付近におけるロータとのエアギャップの変化が大きくなってコギングが大きくなるという問題があった。

本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、その目的は、コギングを小さくすることができるモータを提供することにある。

上記課題を解決するモータは、ヨークハウジング（２１）の内周面に複数の永久磁石（２２）が固定されてなるステータ（２３）と、前記永久磁石の内側で回転可能に支持されたロータ（２４）とを備えたモータであって、前記永久磁石の径方向内側の面は、軸方向から見て、周方向中央部に形成された中央円弧部（２２ａ）と、該中央円弧部の周方向両側に形成された側方円弧部（２２ｂ）とを備え、前記中央円弧部の曲率中心（Ｘ１）は、前記ロータの軸中心（Ｘ）より遠くに設定され、前記側方円弧部の曲率中心（Ｘ２）は、前記中央円弧部の曲率中心より遠くに設定される。

同構成によれば、例えば、中央円弧部の曲率中心が前記ロータの軸中心と同じとされたもの、言い換えると中央円弧部が永久磁石の周方向中心からロータの軸中心までの距離と同じ曲率半径の曲面を有するものに比べて、中央円弧部と側方円弧部との境界付近におけるロータとのエアギャップの変化が滑らかとなり、コギングを小さくすることができる。

本発明のモータによれば、コギングを小さくすることができる。

一実施形態における電動パワーステアリング装置を説明する説明図。一実施形態におけるモータの一部断面図。一実施形態におけるモータの断面図。一実施形態におけるモータの巻線を説明するための一部模式図。一実施形態におけるモータの一部拡大断面図。中央円弧部が形成される角度範囲－コギング、トルク特性図。

以下、電動パワーステアリング装置に用いられるモータの一実施形態について説明する。
図１に示すように、電動パワーステアリング装置１は、コラムアシスト型であり、基端部にステアリングホイール２を固定したステアリングシャフト３を有し、そのステアリングシャフト３の先端部は、自在継ぎ手４を介して、インターミディエイト５に連結されている。ステアリングシャフト３は、入力軸３ａと出力軸３ｂからなり、円筒状の入力軸３ａ内に、出力軸３ｂの一部が貫挿されている。入力軸３ａの基端部には、ステアリングホイール２が固定され、出力軸３ｂの先端部には、自在継ぎ手４が連結されている。また、入力軸３ａと出力軸３ｂの間には、図示しないトーションバーが設けられ、入力軸３ａの回転に追従して出力軸３ｂを回転させるようになっている。

そして、ステアリング操作に基づく、回転及び操舵トルクはラック６＆ピニオン軸７に伝達され、ピニオン軸７の回転にてラック６が車幅方向に往復動する。これによって、ラック６の両端に連結したタイロッド８を介して操舵輪９の舵角が変更される。

ステアリングシャフト３の入力軸３ａには、ステアリングコラム１０が装備されている。ステアリングコラム１０には、モータＭが設けられている。このモータＭは、入力軸３ａを回転制御してステアリング操作をする際に、ステアリングホイール２に対して補助操舵力（以下、アシストトルクという）を付与する。

詳述すると、ステアリングホイール２の操作に基づいて入力軸３ａが回転すると、出力軸３ｂとの間にずれが生じ、このずれがトーションバーのねじれとなって現れる。つまり、出力軸３ｂは、操舵輪９の路面抵抗等で、入力軸３ａの回転に対して遅れが生じて、トーションバーにねじれが生じる。

そして、このトーションバーのねじれ角を図示しないトルクセンサにて検出し、入力軸３ａ（ステアリングホイール２）にかかる操舵トルクが検出され、その検出された操舵トルクに基づいて、ステアリング操作する際のアシストトルクが算出されて、モータＭが駆動制御される。

図２に示すように、モータＭは、ヨークハウジング２１の内周面に複数の永久磁石２２が固定されてなるステータ２３と、前記永久磁石２２の内側で回転可能に支持されたロータ２４とを備えている。

詳しくは、ヨークハウジング２１は、略有底筒状に形成され、その開口端にはエンドハウジング２５が固定されている。エンドハウジング２５において、ヨークハウジング２１の内部側には、ブラシホルダ２６が固定され、該ブラシホルダ２６には、複数の給電用ブラシ２７が保持されている。また、ヨークハウジング２１の底部中央と、エンドハウジング２５の中央には、一対のボールベアリング２８が保持されている。

また、図３に示すように、本実施形態のヨークハウジング２１の内周面には、周方向に４つのランタン・コバルト系のフェライト磁石である永久磁石２２が固定されている。
ロータ２４は、一対のボールベアリング２８にて回転可能に支持された回転軸３１と、該回転軸３１に外嵌固定され径方向外側に延びる複数のティース３２を有する電機子コア３３と、ティース３２に重ね巻にて巻装された巻線３４と、前記回転軸３１に外嵌固定され前記給電用ブラシ２７が押圧接触される整流子３５とを有する。本実施形態のティース３２は周方向に２２個形成されている。そして、電機子コア３３は、コアシートが１枚毎に所定角ずれながら軸方向一端から軸方向他端に向かって積層したスキュー構造である。電機子コア３３のスキュー構造は軸方向一端から軸方向他端に向かって３６０°／（ティース数である２２×２）＝８．１８°だけずれている。なお、図３では、巻線３４の図示を省略している。

また、図４に一部を模式的に示すように、本実施形態の巻線３４は、両端が整流子３５における隣り合うセグメント３５ａに接続されつつ５つのティース３２に跨って分布巻されている。すなわち、本実施形態では巻線３４の跨ぎティース数が５とされている。

ここで、図５に示すように、本実施形態の永久磁石２２の径方向内側の面は、軸方向から見て、周方向中央部に形成された中央円弧部２２ａと、該中央円弧部の周方向両側に形成された側方円弧部２２ｂと、該側方円弧部２２ｂより側方の端部に形成された面取り部２２ｃとを備える。そして、前記中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１は、ロータ２４（回転軸３１）の軸中心Ｘより遠くに設定され、前記側方円弧部２２ｂの曲率中心Ｘ２は、前記中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１より遠くに設定されている。言い換えると、永久磁石２２の径方向内側の面は、周方向中央部に形成され永久磁石２２の周方向中心からロータ２４の軸中心Ｘまでの距離Ｙより長い曲率半径の曲面を有する中央円弧部２２ａと、該中央円弧部２２ａの周方向両側に形成され該中央円弧部２２ａの曲率半径より長い曲率半径の曲面を有する側方円弧部２２ｂとを備えている。

また、本実施形態では、中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１から側方円弧部２２ｂの曲率中心Ｘ２までの長さＡは、ロータ２４の軸中心Ｘから中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１までの長さＢよりも長く設定されている。

また、前記中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、（３６０°／ティース数）×（巻線３４の跨ぎティース数－２）以下を満たすように設定され、具体的には（３６０°／２２）×（５－２）＝４９．１°以下を満たすように設定されている。

また、前記中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、（３６０°／ティース数）×（巻線３４の跨ぎティース数－２．５）以上を満たすように設定され、具体的には（３６０°／２２）×（５－２．５）＝４０．９°以上を満たすように設定されている。

図６に示すように、前記中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、実験結果に基づいて設定されている。なお、この実験結果では、コギング特性Ｋに示すように、角度範囲Ｚが、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２）＝４９．１°を越えると、コギングが急増することが分かる。また、トルク特性Ｔに示すように、角度範囲Ｚが、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２．５）＝４０．９未満では、トルクが小さくなることが分かる。そこで、本実施形態では、角度範囲Ｚは、（３６０°／ティース数）×（巻線３４の跨ぎティース数－２）＝４９．１°以下を満たすとともに、（３６０°／ティース数）×（巻線３４の跨ぎティース数－２．５）＝４０．９°以上を満たすように設定されている。

次に上記のように構成された電動パワーステアリング装置１の作用について説明する。
今、ステアリングホイール２を操作すると、入力軸３ａが回転し、入力軸３ａと出力軸３ｂとの間に設けたトーションバーにねじれが生じる。そして、このトーションバーのねじれ角が図示しないトルクセンサにて検出され、入力軸３ａにかかる操舵トルクが検出される。そして、その検出された操舵トルクに基づいて、ステアリング操作する際のアシストトルクが算出されて、モータＭが駆動制御される。

モータＭは、外部制御装置から駆動電流が給電用ブラシ２７、整流子３５を介して巻線３４に供給されると、永久磁石２２との吸引反発力によりロータ２４が回転駆動される。これにより、ステアリング操作に対してアシストトルクが付与される。

次に、上記実施形態の効果を以下に記載する。
（１）永久磁石２２の径方向内側の面は、軸方向から見て、周方向中央部に形成された中央円弧部２２ａと、該中央円弧部の周方向両側に形成された側方円弧部２２ｂと、該側方円弧部２２ｂより側方の端部に形成された面取り部２２ｃとを備える。そして、中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１は、ロータ２４（回転軸３１）の軸中心Ｘより遠くに設定され、側方円弧部２２ｂの曲率中心Ｘ２は、前記中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１より遠くに設定されている。よって、例えば、中央円弧部の曲率中心がロータの軸中心Ｘと同じとされたものに比べて、中央円弧部２２ａと側方円弧部２２ｂとの境界付近におけるロータ２４とのエアギャップの変化が滑らかとなり、コギングを小さくすることができる。

（２）中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２）＝４９．１°以下を満たすように設定されるため、コギングを小さくすることができる。すなわち、実験結果（図６参照）から、角度範囲Ｚが、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２）＝４９．１°を越えると、コギングが急増することが分かるが、本構成では（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２）以下を満たすため、コギングを小さな値に維持できる。

（３）中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２．５）＝４０．９°以上を満たすように設定されるため、図６に示す実験結果より、コギングを小さくしながら高トルクとすることができる。

（４）中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１から側方円弧部２２ｂの曲率中心Ｘ２までの長さＡは、ロータ２４の軸中心Ｘから中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１までの長さＢよりも長く設定されるため、良好にコギングを小さくすることができる。

（５）永久磁石２２の径方向内側の面は、側方円弧部２２ｂより側方の端部に形成された面取り部２２ｃを備えるため、コギングを小さくしながら永久磁石２２の欠けを抑えることができる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２）＝４９．１°以下を満たすように設定されるとしたが、これに限定されず、角度範囲Ｚが（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２）を越えるように設定してもよい。

・上記実施形態では、中央円弧部２２ａが形成される角度範囲Ｚは、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２．５）＝４０．９°以上を満たすように設定されるとしたが、これに限定されず、角度範囲Ｚが（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線３４の跨ぎティース数－２．５）未満となるように設定してもよい。

・上記実施形態では、中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１から側方円弧部２２ｂの曲率中心Ｘ２までの長さＡは、ロータ２４の軸中心Ｘから中央円弧部２２ａの曲率中心Ｘ１までの長さＢよりも長く設定されるとしたが、前記長さＡと前記長さＢとを同じに設定してもよいし、前記長さＡが前記長さＢよりも短くなるように設定してもよい。

・上記実施形態では、永久磁石２２の径方向内側の面は、側方円弧部２２ｂより側方の端部に形成された面取り部２２ｃを備えるとしたが、これに限定されず、面取り部２２ｃを備えていない構成としてもよい。

・上記実施形態では、永久磁石２２が４個で、ティース３２が２２個で、巻線３４の跨ぎティース数が５のモータＭとしたが、それらの個数は変更してもよい。
・上記実施形態では、電動パワーステアリング装置１に用いられるモータＭに具体化したが、これに限定されず、他の装置に用いられるモータに具体化してもよい。

上記実施形態及び変更例から把握できる技術的思想について記載する。
（イ）前記中央円弧部が形成される角度範囲（Ｚ）は、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線の跨ぎティース数－２．５）以上を満たすように設定された請求項１～３のいずれか１項に記載のモータ。

（ロ）前記永久磁石の径方向内側の面は、前記側方円弧部より側方の端部に形成された面取り部を備えた請求項１～３及び上記（イ）の何れか１つに記載のモータ。

２１…ヨークハウジング、２２…永久磁石、２２ａ…中央円弧部、２２ｂ…側方円弧部、２３…ステータ、２４…ロータ、３２…ティース、３３…電機子コア、３４…巻線、Ａ，Ｂ…長さ、Ｘ…軸中心、Ｘ１，Ｘ２…曲率中心、Ｚ…角度範囲。

Claims

ヨークハウジング（２１）の内周面に複数の永久磁石（２２）が固定されてなるステータ（２３）と、
前記永久磁石の内側で回転可能に支持されたロータ（２４）と
を備えたモータであって、
前記永久磁石の径方向内側の面は、軸方向から見て、周方向中央部に形成された中央円弧部（２２ａ）と、該中央円弧部の周方向両側に形成された側方円弧部（２２ｂ）とを備え、前記中央円弧部の曲率中心（Ｘ１）は、前記ロータの軸中心（Ｘ）より遠くに設定され、前記側方円弧部の曲率中心（Ｘ２）は、前記中央円弧部の曲率中心より遠くに設定されたモータ。
前記ロータは、径方向に延びる複数のティース（３２）を有する電機子コア（３３）と、複数の前記ティースに跨って分布巻される巻線（３４）とを含むものであって、
前記中央円弧部が形成される角度範囲（Ｚ）は、（３６０°／前記ティース数）×（前記巻線の跨ぎティース数－２）以下を満たすように設定された請求項１に記載のモータ。
前記中央円弧部の曲率中心から前記側方円弧部の曲率中心までの長さ（Ａ）は、前記ロータの軸中心から前記中央円弧部の曲率中心までの長さ（Ｂ）よりも長く設定された請求項１又は２に記載のモータ。