WO2008050637A1

WO2008050637A1 - Moteur sans balai

Info

Publication number: WO2008050637A1
Application number: PCT/JP2007/070173
Authority: WO
Inventors: Masayuki Okubo
Original assignee: Mitsuba Corporation
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2008-05-02
Also published as: JPWO2008050637A1

Description

明細書

ブラシレスモータ技術分野

[0001] 本発明は、電動パワーステアリング装置の駆動源などに使用されるブラシレスモータに関し、特に、インダクタンスとコギングトルクの双方の低減を図ったブラシレスモータに関する。

背景技術

[0002] 自動車等の操舵力補助のため、近年多くの車両にいわゆるパワーステアリング装置が装備されている。このようなパワーステアリング装置としては、近年、エンジン負荷軽減や重量低減等の観点から、電気式の動力操舵装置（いわゆる電動パワーステァリング装置、以下、適宜 EPSと略記する）を搭載した車両が増大している。このような EPSの動力源としては、従来よりブラシ付きのモータが多く使用されている力近年では、メンテナンス性に優れ、小型で高トルクが得られることから、ブラシレスモータの使用が増大している。

[0003] ところ力ブラシレスモータでは、ロータ側のマグネットとステータ側のコアティースとの間の吸引力により、いわゆるコギングトルクが生じやすい傾向がある。このようなコギングトルクは、騒音や振動の原因となるのみならず、 EPS用モータにおいては操舵感を悪化させる一因ともなる。そこで、従来より、コギングトルクを減少させるベぐステ一タを多スロット化し、トルクムラを細分化する方式が知られている。しかしながら、スロットを無限に多くすることは不可能であり、多スロット化はモータサイズの面から自ずと限界がある。このため、コアティース先端の磁束が密となる部分に溝を設け、ティース先端部を二股状に分割形成し、これによつて擬似的に多スロット化を図る方式など、種々のコギング対策が提案されている。

[0004] 例えば、特許文献 1のブラシレスモータでは、ティース先端に 1/2スロットピッチの補助溝を設け、見かけ上スロットが倍増したような構成としている。また、特許文献 2のブラシレスモータでは、ステータコアの両端にオーバーハング部を設け、ステータコア端面から流れ込む磁束を抑制する。これにより、ティース先端部からステータコアに流入する磁束量を増大させ、補助溝による疑似多スロット効果を向上させている。さらに、特許文献 3の電動機では、回転子を 2P、固定子を 3P構造とし、ピッチ 4 Θにて設けたティース先端に、スロット中心から角度 θ , 2 Θの間隔で補助溝を等間隔に配置してコギングを低減させる構成が示されて!/、る。

特許文献 1：実公平 7-47981号公報

特許文献 2：特開平 10-42531号公報

特許文献 3：特開 2004- 194489号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] しかしながら、前述のようにティース先端に補助溝を設ける構成では、実際には、ステータの加工歪等により、回転位置に応じたコギングの釣り合いがモータごとに変化し、モータ特性の安定化が図れないという問題があった。すなわち、加工歪のような一定化が困難な変動要因に基づきコギングが変化するため、コギングのロバス H4( 安定性)が悪化し、却って、モータ特性が安定しないという問題があった。

[0006] 一方、ブラシレスモータを集中巻き構成とすると、ティース間の間隔が狭くなる。このため、ティースからの漏れ磁束が多くなり、その分、インダクタンスが大きくなる傾向がある。インダクタンスが大きくなると、モータの電気的時定数が大きくなり、それに伴い、ステータコイルに印加する駆動電圧と、ステータコイルに流れる電流に位相差が生じる。このような位相差が生じると、ステーターロータ間の電気子反作用が大きくなり、高負荷時のトルクが低下する、いわゆるトルクダレが生じるおそれがある。

[0007] 本発明の目的は、インダクタンス低減を図りつつ、補助溝によるコギングトルク低減等の効果を効率良く発揮させ得るブラシレスモータを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0008] 本発明のブラシレスモータは、マグネットを備えたロータと、前記マグネットとエアギヤップを介して対向する複数個のティースを備えたステータとを有し、前記ティースの先端部に、前記エアギャップに臨んで複数個の補助溝を形成してなるブラシレスモータであって、前記補助溝の周方向に沿った幅 Sと、隣接する前記ティースの先端部に形成された開口部の周方向に沿った幅 Wとの比 W/S力 0.9≤W/S≤1.1であり、かつ、前記開口部の周方向に沿った中心と、前記補助溝の周方向に沿った中心 Μとの間の角度を e _w、隣接する前記補助溝の前記中心 M間の角度を e sとし

2 2

たとき、前記 Θ sと前記 Θ wの比 Θ sZ Θ wが、 0·66≤ Θ s/ θ w≤0.965であることを特徴とする。

[0009] 本発明にあっては、 W/Sを 0.9≤W/S≤1.1としつつ、 Θ s/ Θ wを 0.66≤ Θ s Ζ Θ w≤0.965の範囲に設定することにより、インダクタンスの低減を図りつつ、コギングを小さく抑えることができ、コギングのロバスト性改善や、高出力域における電機子反作用の影響低減を図ることができる。このため、例えば、当該ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いると、コギング低減により、ステアリングの戻り性が向上する。また、インダクタンス低減により、高負荷時のトルクダレが少なくなるため、アシスト力が安定し、操舵フィーリングの向上も図られる。

[0010] 前記ブラシレスモータにおいて、前記 Θ sと前記 Θ wの比 Θ sZ Θ wを、好ましくは、 0.7≤ Θ s/ θ w≤0.9に設定しても良い。また、前記ブラシレスモータを、前記マグネットが 6極、前記ティース間に形成されたスロットの数が 9個の 6極 9スロット構成としても良い。さらに、前記ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いても良い。

発明の効果

[0011] 本発明のブラシレスモータによれば、マグネットを備えたロータと、マグネットとエアギャップを介して対向する複数個のティースを備えたステータとを有し、ティースの先端部にエアギャップに臨んで複数個の補助溝を形成したブラシレスモータにて、補助溝幅 Sと、隣接するティース間の開口幅 Wとの比 W/Sを 0.9≤W/S≤1.1としつつ、ティース間の開口部の中心 Mlと補助溝の中心 M2との間の角度 Θ wと、隣接する補助溝中心 M2間の角度 Θ sの比 Θ s/ Θ wを 0.66≤ Θ s/ θ w≤0.965の範囲に設定することにより、インダクタンスの低減を図りつつ、コギングを小さく抑えることが可能となる。従って、コギングのロバスト性改善や、高出力域における電機子反作用の影響低減を図ることが可能となる。

[0012] また、例えば、当該ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いた場合、コギング低減により、ステアリングの戻り性が向上し、スムーズなステアリング操作が可能となる。また、インダクタンス低減による高出力域での電機子反作用の影響減により、高負荷時のトルクダレが少なくなり、アシスト力が安定し、操舵フィーリングの向上を図ることが可能となる。

図面の簡単な説明

[0013] [図 1]本発明によるブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。

[図 2]図 1の電動パワーステアリング装置にて使用されているブラシレスモータの構成を示す軸方向の断面図である。

[図 3]図 2のブラシレスモータの径方向の断面図である。

[図 4]ティースの構成を示す説明図である。

[図 5]6P9S構成のブラシレスモータにて W/S = lとした場合の、 Θ sZ Θ wとコギン符号の説明

[0014] 1 電動パワーステアリング装置

2 ステアリングシャフト

3 ブラシレスモータ

4 ステアリングホイ一ノレ

6 タイロッド

7 車輪

8 アシストモータ部

9 減速機構部

11 トルクセンサ

12 制御装置

20 補助溝

21 ステータ

22 ロータ

23 ハウジング 24 ステータコア

25 巻線

26 継鉄部

27 ティース

28 スロット

29 給電配線

30 ブラケット

31 回転軸

32 ロータコア

33 マグネット

34 マグネットホノレダ

35 ベアリング

36 ベアリング

37 スプラインき

41 レゾルバ

42 レゾルバステータ

43 レゾルバロータ

44 コイル

46 開口部

M 開口部中心

M 補助溝中心

2

S 溝幅

W 開口幅

Θ s M— M間の角度

1 2

Θ w M間の角度

2

発明を実施するための最良の形態

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、本発明によるブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。図 1の電動パワーステアリング装置 (EPS) 1は、ステアリングシャフト 2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おり、本発明によるブラシレスモータ 3 (以下、モータ 3と略記する）が動力源として使用されている。

[0016] ステアリングシャフト 2には、ステアリングホイール 4が取り付けられている。ステアリングホイール 4の操舵力は、ステアリングギヤボックス 5内に配された図示しないピニォンとラック軸を介して、タイロッド 6に伝達される。タイロッド 6の両端には車輪 7が接続されている。ステアリングホイール 4の操作に伴ってタイロッド 6が作動し、図示しないナックルアーム等を介して、車輪 7が左右に転舵する。

[0017] EPS 1では、ステアリングシャフト 2に、操舵力補助機構であるアシストモータ部 8が設けられている。アシストモータ部 8には、モータ 3と共に、減速機構部 9とトルクセンサ 11が設けられている。減速機構部 9には、図示しないウォームとウォームホイ一ノレが配されている。モータ 3の回転は、この減速機構部 9によって、ステアリングシャフト 2に減速されて伝達される。モータ 3とトルクセンサ 11は、制御装置（ECU) 12に接続されている。

[0018] ステアリングホイール 4が操作され、ステアリングシャフト 2回転すると、トルクセンサ 1 1が作動する。 ECU12は、トルクセンサ 11の検出トルクに基づいて、モータ 3に対し適宜電力を供給する。モータ 3が作動すると、その回転が減速機構部 9を介してステァリングシャフト 2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 2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 5内のラック'アンド 'ピユオン結合により、この回転運動がラック軸の直線運動に変換され、車輪 7の転舵動作が行われる。

[0019] 図 2は、モータ 3の構成を示す軸方向の断面図である。図 2に示すように、モータ 3 は、外側にステータ 21、内側にロータ 22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。ステータ 21は、ハウジング 23と、ハウジング 23の内周側に固定されたステータコア 24、及び、ステータコア 24に巻装された巻線 25とを備えた構成となつている。ハウジング 23は、鉄等にて有底筒状に形成されている。ハウジング 23の開口部には合成樹脂製のブラケット 30が取り付けられている。ステータコア 24は鋼板を多数積層した構成となっており、ステータコア 24の内周側には複数個のティースが突設されている。

[0020] 図 3は、図 2のモータ 3の径方向に沿った断面図である。図 3に示すように、ステータコア 24は、リング状の継鉄部 26と、継鉄部 26から内側方向へ突出形成されたティース 27と力、ら形成されている。ティース 27は 9、個設けられている。各ティース 27の間にはスロット 28 (9個）が形成され、モータ 3は 9スロット構成となっている。各ティース 27 の先端部には、補助溝 20が形成されている。各ティース 27には巻線 25が集中巻にて巻装されている。巻線 25は、各スロット 28内に収容されている。巻線 25は、給電配線 29を介してバッテリ（図示せず）と接続されている。巻線 25に対しては、高調波成分を含んだ台形波形状の相電流 (U，V，W)が供給される。

[0021] ロータ 22はステータ 21の内側に配置されており、回転軸 31と、ロータコア 32、マグネット 33を同軸状に配した構成となっている。回転軸 31の外周には、鋼板を多数積層した円筒形状のロータコア 32が取り付けられている。ロータコア 32の外周には、セグメントタイプのマグネット 33が配置されている。マグネット 33とティース 27との間には、エアギャップ 45が形成されている。マグネット 33とティース 27の先端部は、エアギヤップ 45を介して対向している。補助溝 20は、このエアギャップ 45に臨んで形成されている。マグネット 33は、回転軸 31に固定されたマグネットホルダ 34に取り付けられており、周方向に沿って 6個配置されている。すなわち、当該モータ 3は、 6極 9スロット（6P9S)構成となっている。

[0022] 本発明によるモータ 3では、このような 6P9S構成を採りつつ、補助溝 20の溝幅 Sと、ティース 27の開口幅 Wとの比 W/Sが、 0.9≤W/S≤1.1となるように設定されている。図 4はティース 27の構成を示す説明図であり、図 4に示すように、溝幅 Sは、補助溝 20の周方向に沿った幅寸法、開口幅 Wは、隣接するティース 27の先端部に形成された開口部 46の周方向に沿った間隙寸法である。また、モータ 3では、従来のブラシレスモータとは異なり、補助溝 20がティース 27先端に等分に配置されておらず、 W/Sを前述の範囲に設定しつつ、補助溝 20を次のような範囲に設けている。すなわち、開口部 46の中心 Mと、補助溝 20の中心 Mとの間の角度を Θ w、隣接す

1 2

る補助溝 20の中心 M間の角度を Θ sとすると（図 4参照）、 0· 66≤ d s/ θ w≤0.96 5の関係が成り立つように補助溝 20が形成されている。

[0023] 図 5は、 6P9S構成のブラシレスモータにて W/S = lとした場合の、 Θ s/ Θ wとコの実験によれば、 Θ sZ Θ wとコギングトルク量やインダクタンス（以下、適宜コギングトルク等と略記する）との間には相関関係があり、 Θ s/ Θ wが大きすぎても小さすぎても、コギングトルク等が増大することが分かった。この場合、 Θ sZ Θ wが小さいと、ティース 27中心部の磁気抵抗が大きくなり、隣接するティースへの漏れ磁束が多くなつてコギングトルク等が増大すると考えられる。一方、 Θ sZ Θ wが大きいと、ティース 27先端の磁束が飽和気味となり、隣接するティースへ磁束が漏れやすくなつてコギングトルク等が増大すると考えられる。

[0024] そこで、本発明のモータ 3では、前述の関係を鑑み、 Θ s/ Θ wを 0·66≤ Θ s/ Θ w

≤0·965の範囲（図 4の枠 A)に設定した。図 4に示すように、この範囲においてコギングトルク等は極小値を取り（ Θ s/ Θ w= 0.77付近）、これにより、インダクタンスの低減を図りつつ、コギングを小さく抑えることが可能となる。このように、コギングが抑えられると、加工歪によるコギングの釣り合い変化も抑えられ、コギングのロバス H生も改善される。また、インダクタンスが抑えられると、高出力側の電機子反作用の影響が低減でき、高負荷時におけるトルクダレも低減できる。

[0025] 回転軸 31の一端部は、ハウジング 23の底部に圧入されたベアリング 35に回転自在に支持されている。回転軸 31の他端部は、ブラケット 30に取り付けられたべアリング 36によって、回転自在に支持されている。回転軸 31の端部（図 2において左端部）には、スプライン部 37が形成されている。回転軸 31は、スプライン部 37に取り付けられた図示しないジョイント部材によって、減速機構部 9のウォーム軸に接続される。ゥオーム軸には、ウォームが形成されている。ウォームは、減速機構部 9にて、ステアリングシャフト 2に固定されたウォームホイールと嚙合している。

[0026] ブラケット 30内には、ベアリング 36と、ロータ 22の回転を検知するレゾルバ 41が収容されている。レゾルバ 41は、ブラケット 30側に固定されたレゾルバステータ 42と、口ータ 22側に固定されたレゾルバロータ 43とから構成されている。レゾルバステータ 42 にはコイル 44が巻装されており、励磁コイルと検出コイルが設けられている。レゾルバステータ 42の内側には、マグネットホルダ 34の左端部に固定されたレゾルバロータ 43が配置される。レゾルバロータ 43は、金属板を積層した構成となっており、三方向に凸部が形成されている。

[0027] 回転軸 31が回転すると、レゾルバロータ 43もまたレゾルバステータ 42内にて回転する。レゾルバステータ 42の励磁コイルには高周波信号が付与されており、凸部の近接離反により検出コイルから出力される信号の位相が変化する。この検出信号と基準信号とを比較することにより、ロータ 22の回転位置が検出される。そして、ロータ 22 の回転位置に基づき、巻線 25への電流が適宜切り替えられ、ロータ 22が回転駆動される。

[0028] このような EPS1では、ステアリングホイール 4が操作されてステアリングシャフト 2が回転すると、この回転に応じた方向にラック軸が移動して転舵操作がなされる。この操作により、トルクセンサ 11が作動し、その検出トルクに応じて、図示しないバッテリ力も給電配線 29を介して巻線 25に電力が供給される。巻線 25に電力が供給されるとモータ 3が作動し、回転軸 31とウォーム軸が回転する。ウォーム軸の回転は、ウォームホイールを介してステアリングシャフト 2に伝達され、操舵力がアシストされる。

[0029] 前述のように、本発明によるモータ 3では、従来のブラシレスモータに比して、無通電時の脈動であるコギングトルクの低減が図られている。このため、ステアリングの戻り性が向上し、スムーズなステアリング操作が可能となる。例えば、右折時等にステアリングを切り、その後直進のためにステアリングを戻す場合には、一般に運転者はステアリングに力を加えない。この際、 EPSは操舵力をアシストしない（通電していない）状態となっており、このときモータのコギングが大きいと、ステアリングが途中で止まつてしまいスムーズに直進位置に戻らない可能性がある。その点、当該モータ 3を用いた EPSでは、ステアリングの戻りを妨げるコギングトルクが抑えられているため、ステアリングの戻り性が向上し、ステアリング操作もスムーズになる。また、モータ 3では、コギングトルク低減と共にインダクタンスも抑えられるため、高負荷時のトルクダレが少なくなり、アシスト力が安定し、操舵フィーリングの悪化が抑えられる。

[0030] 本発明は前記実施例に限定されるものではなぐ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レ、。例えば、前述の実施例では、 Θ s/ Θ wを 0·66≤ Θ s/ θ w≤0.965の範囲に設定した例を示したが、図 4から分かるように、コギングトルク等の低減のためには、 Θ s/ 6 wを 0· 7≤ θ s/ θ w≤0.9の範囲（図 4の枠 Β)に設定することがより好ましい。また、前述の実施例では、モータ 3として 6極 9スロットのモータを例に挙げて説明したが、モータ構成はこれには限定されず、 2極 3スロットの整数倍のモータにも、本発明は適用可能である。

さらに、前述の実施例では、インナーロータ型のブラシレスモータを用いた例を示した力本発明は、ステータの外側にロータを配したァウタロータ型のブラシレスモータにも適用可能である。加えて、前述の実施例では、本発明による制御方法をコラムァシスト式 EPSのモータに適用した例を示した力 S、ラック軸と同軸状にモータを配したラックアシスト式や、ラック軸と嚙合するピニオンギヤに補助力を付与するピニオンァシスト式の EPS用モータにも適用可能である。

Claims

請求の範囲

[1] マグネットを備えたロータと、前記マグネットとエアギャップを介して対向する複数個のティースを備えたステータとを有し、前記ティースの先端部に、前記エアギャップに臨んで複数個の補助溝を形成してなるブラシレスモータであって、

前記補助溝の周方向に沿った幅 sと、隣接する前記ティースの先端部に形成された開口部の周方向に沿った幅 Wとの比 W/S力 S、 0.9≤W/S≤1.1であり、かつ、前記開口部の周方向に沿った中心 Mと、前記補助溝の周方向に沿った中心 Mと

1 2 の間の角度を Θ w、隣接する前記補助溝の前記中心 M間の角度を Θ sとしたとき、

2

前記 Θ sと前記 Θ wの比 Θ s/ Θ w力 0.66≤ Θ s/ θ w≤0.965であることを特徴と

[2] 請求項 1記載のブラシレスモータにおいて、前記 Θ sと前記 Θ wの比 Θ sZ Θ wが、

0.7≤ Θ s/ θ w≤ 0.9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、前記マグネットが 6極、前記ティース間に形成されたスロットの数が 9個の 6極 9スロット構成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装置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。