JPH0898488A

JPH0898488A - ３相ブラシレスモータ

Info

Publication number: JPH0898488A
Application number: JP6228128A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takahashi; 稔高橋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】３相ブラシレスモータに発生するトルクの最大
値及び最小値の差を小さくできるようにする。【構成】ロータを構成する永久磁石５の各磁極の周方向
中心位置に、軸方向に長い断面半円形の凹溝５ａを形成
し、これにより各磁極の周方向中心位置を低磁束密度領
域とする。つまり、Ｓ極及びＮ極の境界である点ａ₁か
らそれぞれ電気角で９０度ずれた位置の磁束密度を、凹
溝５ａを形成していない通常の永久磁石に比べて低くす
る。また、３相の励磁コイルを駆動する駆動回路を、３
相の励磁コイルの全てに常に励磁電流を供給する３相励
磁駆動回路とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、３相ブラシレスモー
タの改良に関し、特に、回転位置に対する出力トルクの
変動を極力小さくできるようにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】外周面にＳ極及びＮ極が周方向に交互に
且つ等間隔に着磁されたロータの周囲を３相の励磁コイ
ルで包囲した３相ブラシレスモータは、他のブラシレス
モータに比べて安定した出力トルクが得られるため、種
々の分野への応答が期待されている。そして、従来の３
相ブラシレスモータのロータを構成する永久磁石の磁束
密度分布は、図１０（ａ）に示すように正弦波的、若し
くは着磁を工夫することにより図１０（ｂ）に示すよう
に台形波的になっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ここで、従来の３相ブ
ラシレスモータにおいて、３相の励磁コイルａ，ｂ及び
ｃをＹ字形にスター結線し、各コイルａ〜ｃに図１１に
示すような励磁電流を供給する（つまり、電気角で６０
度毎に通電状態を切り換える２相励磁方式で駆動する）
と、各コイルに生じるトルクは、ロータの永久磁石の磁
束密度分布が図１０（ａ）の正弦波的であるとき、図１
２の下部に示すように、ロータの回転位置によって変化
する山形の波形を描くようになる。そして、それら各コ
イルに生じるトルクの和がモータに生じるトルクとなる
から、モータのトルクは、図１２の上部に示すように、
ロータの回転位置によって変化してしまう。この場合、
トルクリップル（トルクの最大値Ｔ_maxと最小値Ｔ_min
との変動差ΔＴ＝Ｔ_max−Ｔ _min）は、平均トルク（＝
（Ｔ_max＋Ｔ_min）／２）に対して約１５％程度とな
る。

【０００４】この程度のトルクリップルは、他の形式の
ブラシレスモータに比べれば小さいともいえるが、例え
ば自動車のパワーステアリング装置の駆動源に利用する
ことを考えると、操舵系のトルク変動は運転者の操舵感
覚に違和感を与えるため極力小さいことが好ましく、１
５％程度のトルクリップルでは違和感が大き過ぎ、更な
るトルクリップルの低減が望まれていた。

【０００５】本発明は、このような従来の技術が有する
未解決の課題に着目してなされたものであって、トルク
リップルが極力小さくなる３相ブラシレスモータを提供
することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、外周面にＳ極及びＮ極が周方向に交互に
且つ等間隔に着磁された回転自在のロータと、スター結
線され且つ前記ロータの外周面を包囲するように配設さ
れた３相の励磁コイルと、これら３相の励磁コイルに励
磁電流を供給する駆動回路と、を備えた３相ブラシレス
モータにおいて、前記駆動回路は、前記３相の励磁コイ
ル全てに常になんらかの励磁電流を供給する３相励磁駆
動回路であり、前記ロータの各磁極の周方向中心位置
に、低磁束密度領域を形成した。

【０００７】

【作用】本発明の３相ブラシレスモータにあっては、駆
動回路が３相励磁駆動回路であるため、２相励磁とは異
なり、３相の励磁コイルの全てに常になんらかの励磁電
流が供給される。従って、一つの励磁コイルの位相を切
り換える時でも他の二つの励磁コイルを通じて励磁電流
が流れるから、位相切り換え時にモータの出力トルクが
落ち込まないで済み、滑らかな切り換えが行われる。

【０００８】そして、３相励磁駆動の場合、各コイルに
発生するトルクの和であるモータのトルクが最大となる
位置は、Ｓ極及びＮ極に着磁された領域の周方向中心位
置（Ｓ極とＮ極との境界から、電気角で９０度の位置）
にコイルが対向した位置であるが、その周方向中心位置
に低磁束密度領域が形成されているため、その分、モー
タのトルクの最大値は小さくなり、トルクリップルが低
減される。

【０００９】なお、低磁束密度領域の形成方法は特に限
定されるものではなく、例えば着磁を工夫することによ
っても可能であるし、或いは永久磁石の周方向中心位置
に凹部や空隙等を適宜形成することによっても可能であ
る。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の第１実施例における３相ブラシ
レスモータ１の構成を示す正断面図である。即ち、この
３相ブラシレスモータ１は、円筒形のハウジング２と、
このハウジング２の軸心に沿って配設され軸受３ａ，３
ｂによって回転自在の回転軸４と、この回転軸４に固定
されたモータ駆動用の永久磁石５と、この永久磁石５を
包囲するようにハウジング２内周面に固定され且つ３相
の励磁コイル６ａ，６ｂ及び６ｃが巻き付けられたステ
ータ６とから構成されていて、回転軸４及び永久磁石５
によって回転自在のロータ７が形成されている。

【００１１】また、ロータ７には、回転軸４の一方の端
部には近接してリング状の位相検出用の永久磁石８が固
定されていて、かかる永久磁石８には、Ｓ極及びＮ極が
周方向に且つ等間隔に交互に着磁されている。これに対
し、ハウジング２の軸受３ｂが配設された側の内端面に
は、ステー９を介してリング状の薄板からなる支持基板
１０がその内側の絶縁部分が永久磁石８に対向するよう
に配設され、かかる支持基板１０の永久磁石８側を向く
面には、永久磁石８に対向するように、例えばホール素
子等からなる位相検出素子１１が固定されている。な
お、実際には位相検出素子１１は励磁コイル６ａ〜６ｂ
の駆動タイミングに対応して周方向に適宜離隔して３個
設けられているが、図１は断面図であるため、その内の
一つのみを示している。

【００１２】そして、各位相検出素子１１の出力がこれ
に対向する永久磁石８の磁極によって変化することを利
用してロータ７の回転位置を認識し、それに応じて後述
する駆動回路が各励磁コイル６ａ〜６ｃに供給する励磁
電流を切り換えて、ロータ７を適宜回転駆動させるので
ある。一方、ロータ７を構成する永久磁石５は、その着
磁の状態を表す平面図である図２に示すように、Ｓ極及
びＮ極が周方向に三つずつ交互に且つ等間隔に着磁され
ている。

【００１３】ただし、本実施例の永久磁石５の各磁極の
周方向中心位置には、軸方向に長い断面半円形の凹溝５
ａが形成されていて、これにより各磁極の周方向中心位
置が低磁束密度領域となっている。つまり、Ｓ極及びＮ
極の境界である点ａ₁からそれぞれ電気角で９０度ずれ
た位置の磁束密度が、凹溝５ａを形成していない通常の
永久磁石に比べて低くなっているのであり、電気角で０
〜３６０度の範囲における磁束密度分布は、図３に実線
で示すように、正弦波的に変化する破線で示す通常の磁
束密度分布に比べて、電気角で９０度及び２７０度の位
置で凹むような分布となる。

【００１４】一方、３相の励磁コイル６ａ〜６ｃは、図
４に示すようにＹ字形にスター結線されて、ロータ７の
外周面を１２０度離隔した三方から取り囲むように配設
されている。そして、それら励磁コイル６ａ〜６ｃに励
磁電流を供給する駆動回路１５は、図４に示すように、
六つのトランジスタ（電界効果トランジスタ）Ｔ_u，Ｔ
_v，Ｔ_w、Ｔ_u' ，Ｔ_v' ，Ｔ_w' から構成されてい
る。

【００１５】具体的には、直列関係にあるトランジスタ
Ｔ_u−Ｔ_u' ，トランジスタＴ_v−Ｔ_v' ，トランジス
タＴ_w−Ｔ_w' のそれぞれを電源の両端子間に並列に配
設するとともに、各トランジスタＴ_u−Ｔ_u' ，トラン
ジスタＴ_v−Ｔ_v' ，トランジスタＴ_w−Ｔ_w' の接続
部分を、各励磁コイル６ａ，６ｂ，６ｃの外端（スター
結線の中心側とは逆側）に導通させている。

【００１６】そして、各トランジスタＴ_u〜Ｔ_w' のゲ
ート電圧が、上述した位相検出素子１１の出力によって
制御されるようになっている。ここで、本実施例の駆動
回路１５は、３相の励磁コイル６ａ〜６ｃの全てに常に
励磁電流を供給してこの３相ブラシレスモータ１を駆動
する３相励磁駆動回路となっている。各励磁コイル６ａ
〜６ｃへの励磁電流の方向及び大きさは、具体的には、
図５に示すようになり、３相励磁駆動回路としての各ト
ランジスタＴ_u〜Ｔ_w' のオン／オフのタイミングは、
下記の表１のようになる。ただし、表１中、“１”がオ
ン、“０”がオフを表す。

【００１７】

【表１】

【００１８】例えば、図５のｄの位置にあるとすると、
表１の区間に該当するから、上段のトランジスタ
Ｔ_u，Ｔ_w及び下段のトランジスタＴ_v' がオンとな
り、それら以外のトランジスタはオフとなるから、励磁
コイル６ａ及び６ｃには外端側からそれぞれＩ／２の大
きさの電流が流れ、励磁コイル６ｃには結線側からＩの
大きさ電流が流れる。他の区間〜についても、各ト
ランジスタのオン／オフに従って、各励磁コイル６ａ〜
６ｃにはＩ又はＩ／２の大きさの電流が流れることにな
る。

【００１９】そして、このような３相励磁駆動であれ
ば、位相切り換え時であっても、少なくとも二つのコイ
ルを通じて上段から下段に電流が流れ続けるため、電流
が遮断されることがない。これに対し、２相励磁駆動で
は、図１１に示したように、位相を切り換える時に、上
段と下段が一瞬途切れ、瞬間的であるが電流が全く流れ
ない時間があるため、コイルのインダクタンスの分、電
流の立ち上がりが遅れモータの出力が落ち込み、滑らか
な切り換えが行われなかったのである。

【００２０】つまり、本実施例のように３相励磁駆動を
採用すれば、励磁コイル６ａ〜６ｃに発生するトルクが
瞬間的に落ち込むことが防止できるから、それら励磁コ
イル６ａ〜６ｃに発生するトルクの和であるモータトル
クの最小値Ｔ_minが落ち込むことが防止できるのであ
る。そして、永久磁石５の磁束密度分布が図３に示すよ
うになり、励磁コイル６ａ〜６ｃに流れる電流の大きさ
が図５に示すようになれば、各励磁コイル６ａ〜６ｃに
発生するトルクは、各励磁コイル６ａ〜６ｃに直交する
磁束の量と、各励磁コイル６ａ〜６ｃに流れる励磁電流
との積に比例することから、図６の下部に実線，一点鎖
線及び破線で示すようになる。

【００２１】例えば、コイル６ａについてみれば、電気
角で０度から６０度に到る間は電流の大きさがＩ／２で
あるため、発生するトルクは徐々に大きくなるが、６０
度を過ぎると電流の大きさがＩになるので、発生するト
ルクは瞬間的に二倍になり、そこから再び徐々に大きく
なろうとする。しかし、９０度を中心にその周辺の磁束
密度分布が凹んでいるため、コイル６ａに発生するトル
クは一旦小さくなり、９０度を過ぎた後に徐々に上昇
し、１２０度の手前で若干下降する。そして、１２０度
に到ると電流の大きさがＩ／２に戻るため、発生するト
ルクの大きさは瞬間的に１／２となり、そこから徐々に
小さくなって１８０度で一旦零になるが、１８０度を過
ぎれば励磁コイル６ａには逆方向の電流が流れるから、
発生するトルクは再び徐々に上昇する。なお、励磁コイ
ル６ａの１８０〜３６０度の間のトルクの変化は、０〜
１８０度の間のトルク変化と同じであり、また、励磁コ
イル６ｂのトルク変化は、励磁コイル６ａのトルク変化
と１２０度遅れていることを除いては全く同じである。
同様に、励磁コイル６ｃのトルク変化は、励磁コイル６
ａのトルク変化と２４０度遅れていることを除いては全
く同じである。

【００２２】そして、この３相ブラシレスモータ１に発
生するトルクは、各励磁コイル６ａ〜６ｃに発生するト
ルクの和であるから、図６の上部に実線で示すような波
形になる。ここで、本来ならば、磁束密度は永久磁石５
の各磁極の周方向中心位置で最も高くなることから、各
励磁コイル６ａ〜６ｃに発生するトルクもそれに対応し
た位置で最も大きくなり、３相ブラシレスモータ１に発
生するトルクも励磁コイル６ａ〜６ｃに発生するトルク
と同様の位置で最大となるはずである。

【００２３】しかし、本実施例では、その最大トルクが
発生する位置に凹溝５ａを形成しているため、モータト
ルクの最大値Ｔ_maxが小さくなるのである。このよう
に、本実施例の構成であれば、モータトルクの最小値Ｔ
_minが落ち込むことが防止されるとともに、モータトル
クの最大値Ｔ_maxを小さくすることができるから、それ
らの差で決まるトルクリップルが抑えられるようにな
る。ちなみに、本発明者が、永久磁石５の電気角で９０
度及び２７０度付近の磁束密度を２０％程度小さくした
３相ブラシレスモータ１のトルクを実測してみたとこ
ろ、トルクリップルは約５％程度となり、従来の約１／
３程度に低減することが確認された。従って、本実施例
のような３相ブラシレスモータは、例えば自動車の電動
パワーステアリング装置の駆動源として好適である。

【００２４】図７は本発明の第２実施例を示す図であっ
て、上記第１実施例の図２と同様に永久磁石５の平面図
である。なお、その他の構成は上記第１実施例と同様で
あるため、その図示及び説明は省略する。即ち、本実施
例では、周方向にＳ極及びＮ極が並んだ平断面扇形の同
形の六つの永久磁石５Ａ〜５Ｆを、回転軸４（図１参
照）を包囲するように並べて上記第１実施例と同等の永
久磁石５を構成している。ただし、隣り合った永久磁石
５Ａ〜５Ｆでは、同極同士が接するようになっている。

【００２５】そして、各永久磁石５Ａ〜５Ｆの外周面側
端部に面取り５ｂを形成している。従って、各永久磁石
５Ａ〜５Ｆを図７のように組み合わせると、隣り合った
永久磁石５Ａ〜５Ｆの面取り５ｂ同士によって、Ｓ極及
びＮ極の境界から電気角で９０度の位置に、低磁束密度
領域が形成されるようになる。このため、本実施例の構
成であっても、上記第１実施例と同様の作用効果を得る
ことができる。しかも、各永久磁石５Ａ〜５Ｆの角の部
分を平らに削ることにより低磁束密度領域を形成するこ
とができるから、溝加工が必要な上記第１実施例の構成
に比べて製造コストを低減できるという利点がある。な
お、低磁束密度領域は、各永久磁石５Ａ〜５Ｆの角の部
分を削るのではなく、最初から金型成型により所望の形
状を作るようにしてもよい。

【００２６】図８は本発明の第３実施例を示す図であっ
て、上記第１実施例の図２と同様に永久磁石５の平面図
である。なお、その他の構成は上記第１実施例と同様で
あるため、その図示及び説明は省略する。即ち、本実施
例では、上記第２実施例と同様に、周方向にＳ極及びＮ
極が並んだ平断面扇形の同形の六つの永久磁石５Ａ〜５
Ｆを、回転軸４（図１参照）を包囲するように並べて上
記第１実施例と同等の永久磁石５を構成している。

【００２７】ただし、本実施例では、各永久磁石５Ａ〜
５Ｆ間に僅かな隙間５ｃが形成されるように、永久磁石
５Ａ〜５Ｆの周方向の寸法を、上記第１実施例における
永久磁石５の周方向寸法の１／６よりも若干小さくして
いる。また、本実施例でも、隣り合った永久磁石５Ａ〜
５Ｆでは、同極同士が対向するようになっている。従っ
て、各永久磁石５Ａ〜５Ｆを図８のように組み合わせる
と、隙間５ｃによって、Ｓ極及びＮ極の境界から電気角
で９０度の位置に、低磁束密度領域が形成されるように
なる。このため、本実施例の構成であっても、上記第１
実施例と同様の作用効果を得ることができる。しかも、
各永久磁石５Ａ〜５Ｆの面取りも不要であるから、上記
第２実施例よりも更に製造コストを低減できるという利
点がある。

【００２８】図９は本発明の第４実施例を示す図であっ
て、上記第１実施例の図２と同様に永久磁石５の平面図
である。なお、その他の構成は上記第１実施例と同様で
あるため、その図示及び説明は省略する。即ち、本実施
例では、上記第１実施例と同様の永久磁石５の各磁極の
周方向の中心位置で外周面に近接した部分に、軸方向に
長い円孔５ｄを形成し、これにより、Ｓ極及びＮ極の境
界から電気角で９０度の位置に、低磁束密度領域が形成
されるようになる。このため、本実施例の構成であって
も、上記第１実施例と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００２９】なお、上記各実施例では、永久磁石５の形
状を適宜工夫することにより、Ｓ極及びＮ極の境界から
電気角で９０度の位置に低磁束密度領域を形成するよう
にしているが、永久磁石５を加工しなくても、例えば着
磁を工夫することにより、低磁束密度領域を形成するよ
うにしてもよい。また、上記各実施例の構成において、
加工された永久磁石５の耐衝撃性を保つために、永久磁
石５の周囲を円筒形のカバーで覆うようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
３相ブラシレスモータにおいて、駆動回路を３相励磁駆
動回路とし、ロータの各磁極の周方向の中心位置に低磁
束密度領域を形成したため、位相切り換え時にモータに
発生するトルクの最小値が落ち込むことを防止できると
ともに、トルクの最大値を小さくできるから、トルクリ
ップルを抑えることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の３相ブラシレスモータの
正断面図である。

【図２】第１実施例の永久磁石の平面図である。

【図３】第１実施例の磁束密度の分布図である。

【図４】励磁コイルの結線状態及び駆動回路を示す回路
図である。

【図５】励磁電流の波形図である。

【図６】各励磁コイル及びモータに発生するトルクの波
形図である。

【図７】第２実施例の永久磁石の平面図である。

【図８】第３実施例の永久磁石の平面図である。

【図９】第４実施例の永久磁石の平面図である。

【図１０】従来の磁束密度の分布図である。

【図１１】従来の励磁電流の波形図である。

【図１２】従来の各励磁コイル及びモータに発生するト
ルクの波形図である。

【符号の説明】

１３相ブラシレスモータ４回転軸５永久磁石５Ａ〜５Ｆ永久磁石５ａ凹溝５ｂ面取り５ｃ隙間５ｄ円孔６ａ〜６ｃ励磁コイル７ロータ１５駆動回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外周面にＳ極及びＮ極が周方向に交互に
且つ等間隔に着磁された回転自在のロータと、スター結
線され且つ前記ロータの外周面を包囲するように配設さ
れた３相の励磁コイルと、これら３相の励磁コイルに励
磁電流を供給する駆動回路と、を備えた３相ブラシレス
モータにおいて、前記駆動回路は、前記３相の励磁コイル全てに常になん
らかの励磁電流を供給する３相励磁駆動回路であり、前
記ロータの各磁極の周方向中心位置に、低磁束密度領域
を形成したことを特徴とする３相ブラシレスモータ。