JP5123009B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、スキュー構造を備えたブラシレスモータに関し、特に、セグメントマグネットによるステップスキュー構造を有するブラシレスモータに関する。

従来より、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）用のブラシレスモータなどでは、小型化・高出力化の要請から、高調波成分により線間誘起電圧波形を台形波化し、モータ誘起電圧の利用率を高める手法が用いられている。一般にブラシレスモータでは、２極３スロットの整数倍（以下、２Ｐ３Ｓ×ｎのように略記する）の構成を採用することにより、誘起電圧の高調波成分のうち、５次成分や７次成分を多く含ませることができ、特に、高調波５次成分を含ませると、誘起電圧波形が台形化する。このため、ＥＰＳ用のブラシレスモータなどでは、２Ｐ３Ｓ×ｎ構成を採用すると共に、その誘起電圧に５次高調波成分を含ませることにより、トルクリップルを低減させつつ、出力の向上を図っている。

一方、高調波５次成分を含ませ誘起電圧を台形波化する方法としては、ロータ磁極等を軸方向に傾斜させるスキュー構造が広く知られている。このようなスキュー構造のブラシレスモータでは、磁極用のマグネットとして、一般にリングマグネットが使用されており、マグネット自体にスキュー着磁を行うことによりコギング等の低減を図っている。これに対し、近年、ＥＰＳ用のブラシレスモータなどでは、小型化・高出力化の要請から、ロータマグネットとして、高磁束密度に着磁可能なセグメントマグネットの使用が増加している。ところが、セグメントマグネットの場合、スキュー着磁を行うと、図１０に示すように、どうしても未着磁帯が生じてしまうため、マグネット材料を無駄にしてしまいコストパフォーマンスの点で問題があった。

そこで、セグメントマグネットを使用したモータでは、スキュー構造を実現するため、着磁済マグネットの段積みによるいわゆるステップスキューが行われている。このステップスキュー構造のモータでは、各段のコギング波形を相殺させてコギング低減を図ることから、セグメントマグネットは軸方向に偶数列（通常２列）配される。特許文献１には、マグネットが２列配された回転電機が示されており、各列のマグネットは、周方向に所定角度ずつずらして配置される。これにより、ロータの磁極が軸方向に沿って段階的にずれた形となり、２段積構造のステップスキューが形成される。
特許第3599066号公報 特開2004-274963号公報 特開2006-174692号公報

しかしながら、ステップスキュー構造のモータでは、実際には、組み付け状態や物性値、加工精度などにバラツキがあり、２段積のステップスキューではコギングを余り改善できないという問題があった。特に、スキュー角は、それを理論スキュー機械角＝３６０°／（極・スロットの最小公倍数）近傍に設定すると、高調波成分が急激に低下するため、一般に理論スキュー機械角よりも小さい値が採用されるが、その範囲では、２段積ステップスキューによるコギングの改善は非常に難しい。

また、コギング対策として、ステータコアのティース先端に補助溝を設けて擬似的に多スロット化する方法も広く用いられるが、基本波に補助溝分の高調波が含まれると、２段積ステップスキューでは、却ってコギングが大きくなる。特に、ＥＰＳ用のモータでは、高出力は勿論のこと、操舵フィーリングに大きな影響を及ぼすコギングやトルクリップルの低減は設計上の必須項目であり、それらの両立が大きな課題となっていた。

本発明の目的は、組付精度やスキュー角のバラツキによる影響を抑えつつ、組み付け易く、従来のリングマグネットによるロータスキュー構造のモータよりも出力を向上し得る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、２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有し複数相のコイルが取り付けられたステータとを備えてなるブラシレスモータであって、前記ロータの前記磁極は、軸方向に沿って３列に配置された同一形状のセグメントマグネットにて形成されると共に、隣接列のマグネットが周方向にずれた位置に配置されたステップスキュー構造を有し、前記セグメントマグネットのスキュー角θskewを、θskew=θstep×マグネット段積み数（θstep：前記各セグメントマグネット間のステップ角）と定義したとき、前記複数相のコイルの線間誘起電圧に含まれる全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率が９０％以上となるように、前記セグメントマグネットのスキュー角θskewを電気角３６°〜５７°に設定し、前記線間誘起電圧の波形を台形波状としたことを特徴とする。

本発明にあっては、２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のモータにて３段積スキュー構造を採用することにより、線間誘起電圧に５次高調波成分を含ませることにより、誘起電圧波形を台形波化することができ、その上で、マグネットの段積みを最小限に抑えつつ、コギングの低減と出力トルクの向上を両立させることができる。

前記ブラシレスモータにおいて、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率をともに３％以上とすべく、前記線間誘起電圧の基本波に対する５次高調波成分の含有率が４.５％〜６.５％となるように前記スキュー角θskewを設定しても良い。これにより、効率良く線間誘起電圧を台形波化でき、トルクリップルの低減が図られる。

一方、前記ブラシレスモータは、低コギング、低トルクリップル、高出力をバランス良く満たすことができるため、電動パワーステアリングの駆動源として好適であり、これにより、操舵フィーリングの悪化を将来することなく、装置の小型・軽量化が図られる。

本発明のブラシレスモータは、２ｎ個の磁極を有するロータと３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータにて、ロータ磁極を軸方向に沿って３列に配置されたセグメントマグネットにて形成すると共に、隣接列のマグネットを周方向にずらしてステップスキュー構造としたことにより、誘起電圧波形を容易に台形波化できると共に、マグネットの段積みを最小限に抑えつつ、コギングの低減と出力トルクの向上を両立させることが可能となる。従って、トルクリップルの低減が図られると共に、マグネットの段積みを最小限に抑えつつ、低コギング、低トルクリップル、高出力をバランス良く満たし、組み付け易く、安価で高出力・高性能なブラシレスモータを提供することが可能となる。

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は本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。図１に示すように、ブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、外側にステータ（固定子）２、内側にロータ（回転子）３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。モータ１は、例えば、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の動力源として使用され、自動車のステアリングシャフトに対し動作補助力を付与する。モータ１は、ステアリングシャフトに設けられた減速機構部に取り付けられ、モータ１の回転は、この減速機構部によってステアリングシャフトに減速されて伝達される。

ステータ２は、有底円筒形状のケース４と、ステータコア５、ステータコア５に巻装されたステータコイル６（以下、コイル６と略記する）及びステータコア５に取り付けられるバスバーユニット（端子ユニット）７とから構成されている。ケース４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、その開口部には、図示しない固定ネジによってアルミダイキャスト製のブラケット８が取り付けられる。

ステータコア５は、図２に示すように、複数個（ここでは９個）の分割コア９を周方向に集成した構成となっている。ステータコア５には、９個のティース５ａが径方向内側に向かって突設されている。ステータコア５の先端には、２ｎ個の溝５ｂが（ここでは２個）が形成されており、擬似スロット効果によるコギング低減が図られている。分割コア９は、電磁鋼板からなるコアピースを積層して形成され、その周囲には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられている。

インシュレータ１１の外側にはコイル６が巻装され、ステータコア５の一端側には、コイル６の端部６ａが引き出されている。ステータコア５の一端側には、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバーがインサート成形されたバスバーユニット７が取り付けられる。バスバーユニット７の周囲には複数個の給電用端子１２が径方向に突設されており、バスバーユニット７の取り付けに際し、コイル端部６ａは、この給電用端子１２と溶接される。バスバーユニット７では、バスバーはモータ１の相数に対応した個数（ここでは、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相分の３個）設けられており、各コイル６はその相に対応した給電用端子１２と電気的に接続される。ステータコア５は、バスバーユニット７を取り付けた後、ケース４内に圧入固定される。

ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。図３はロータ３の構成を示す説明図、図４は図３の矢示Ｘ方向の側面図（一部破断）である。ロータ３はロータシャフト１３を有しており、ロータシャフト１３はベアリング１４ａ,１４ｂによって回転自在に支持されている。ベアリング１４ａはケース４の底部中央に、ベアリング１４ｂはブラケット８の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト１３には、円筒形状のロータコア１５（１５ａ〜１５ｃ）が固定されており、その外周には、セグメントタイプのマグネット（永久磁石）１６（１６ａ〜１６ｃ）が取り付けられている。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、周方向に沿って６個×３列配置されており、モータ１は、６極９スロット（以下、６Ｐ９Ｓのように略記する）構成となっている。マグネット１６ａ〜１６ｃの外側には、有底円筒形状のマグネットカバー１８が取り付けられている。なお、図３は、マグネットカバー１８を外した状態のロータ３の構成を示している。

マグネット１６ａ〜１６ｃの外側には、合成樹脂製のマグネットホルダ１７ａ〜１７ｃが取り付けられている。図４に示すように、マグネット１６ａ〜１６ｃは、マグネットホルダ１７ａ〜１７ｃに保持される形でロータコア１５ａ〜１５ｃの外周に配される。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、各マグネットホルダ１７ａ〜１７ｃによって軸方向に３列配置されている。図３に示すように、各列のマグネット１６ａ〜１６ｃは、隣接列の同極性マグネットが、周方向に所定のステップ角θstep（隣接列のマグネット中心間角度）ずつずれた位置関係で取り付けられている。すなわち、モータ１のロータ３は、マグネット１６ａ〜１６ｃが３段積となったステップスキュー構造となっている。

図５は、ロータ３側のスキュー角についての説明図である。図５に示すように、ステップスキュー構造においては、マグネット１６ａ〜１６ｃの中心点Ｃ１〜Ｃ３（周方向・軸方向共）を結び、このＣ１〜Ｃ３を結ぶ線Ｌとマグネット１６ａ,１６ｃの軸方向端面との交点をＰ１,Ｐ２としたとき、Ｐ１,Ｐ２間の回転中心Ｏに対する中心角がマグネットスキュー角θskewとなる。従って、マグネット１６ａ,１６ｂ間、マグネット１６ｂ,１６ｃ間のステップ角θstepは、それぞれ、Ｃ１,Ｃ２、Ｃ２,Ｃ３間の回転中心Ｏに対する中心角となる。また、Ｃ１,Ｐ１間、Ｃ３,Ｐ２間の中心角は、それぞれ、ステップ角θstepの半分（θstep／２）となる。このため、スキュー角θskewは、θstep×（段積み数−１）＋（θstep／２）×２＝θstep×段積み数となる。

マグネットホルダ１７ａの端部には、回転角度検出手段であるレゾルバ２１のロータ（レゾルバロータ）２２が取り付けられている。これに対し、レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、金属製のレゾルバホルダ２４内に圧入され、合成樹脂製のレゾルバブラケット２５に収容されている。レゾルバホルダ２４は有底円筒形状に形成されており、ブラケット８の中央部に設けられたリブ２６の端部外周に軽圧入される。レゾルバブラケット２５とブラケット８には、金属製の雌ネジ部２７がインサートされており、雌ネジ部２７には、ブラケット８の外側から取付ネジ２８がねじ込まれる。これにより、レゾルバホルダ２４がブラケット８の内側に固定される。

ここで、本発明によるモータ（６Ｐ９Ｓ）１では、スキュー角θskew＝ステップ角θstep×段積み数＝３６°〜５７°（電気角、機械角では１２〜１９°）に設定されている。前述のように、６Ｐ９Ｓのモータでは、コギングが０となる理論スキュー角は、３６０°/極・スロットの最小公倍数であり、当該モータ１では、３６０°／１８＝２０°（機械角、電気角６０°）となる。図６は、スキュー角とコギングトルクとの関係を示す説明図である。図６から分かるように、コギングは、スキュー角６０°（電気角）を極小値として、６０°以下ではスキュー角が小さいほどコギングが大きくなる。

また、図６によれば、２段積のステップスキュー（以下、２段積スキューと略記する）に比して、３段積や４段積のステップスキュー（同、３段積スキュー、４段積スキュー）は、コギングが小さく抑えられ、ロータスキュー（段積数を無限大とした場合）とほぼ同程度に低減される。また、コギングは、３段積以上の場合は、段積数に対しほとんど変化はない。さらに、スキュー角３５°近傍より、２段積スキューと３段積以上のスキューとの乖離が始まっている。

次に、スキュー角θskewと出力トルクとの関係を考えると、スキュー角θskewが大きくなると出力トルクが小さくなり、特に、段積数が大きくなるとその傾向が著しい。図７は、スキュー角θskew（電気角）とモータ出力トルクとの関係を示す説明図である。図７から分かるように、２段積スキューは、非常に電圧利用率が高く、高トルクを得ることができるが、段積数を増すと、それに応じて出力トルクが小さくなる。

そこで、当該モータ１では、次のような観点から段積数を３段に設定した。

（１）２段積スキューでは、組付精度やスキュー角、擬似スロットのバラツキにより、コギングを十分に低減できない。

（２）図６の結果から、コギング低減には、３段積以上のステップスキュー構造が好ましい。

（３）同じく、３段積以上のスキューでは、コギング低減効果はほとんど変わらない。組み付けの手間を考慮すると、最小限の段積みである３段積が好ましい。

（４）図７の結果から、ステップスキュー構造は、電圧利用率が高く、スキュー着磁の場合よりも高トルクが得られる。

（５）しかし、段積数を増加させると、電圧利用率が低下し、出力トルクが減少する。

（６）以上を勘案すると、コギングと出力トルクの点では、３段積スキューが最もバランスが良い。

また、図８は、６Ｐ９Ｓのモータにおけるスキュー角（機械角）と、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率との関係を示したグラフである。図８に示すように、スキュー角が大きくなるにつれて５次高調波成分の含有率も大きくなるが、１８°を超える低下し、２２°を超えると急減する。そこで、５次高調波成分の含有率が９０％以上となる範囲を有効と考えると、６Ｐ９Ｓにてスキュー角（機械角）１２°≦θskew（機械角）≦１９°、２Ｐ３Ｓ×ｎのモータでは、スキュー角（電気角）３６°≦θskew（電気角）≦５７°となる。そして、この図８の結果と図６,７の結果を総合し、本発明者らは、モータ１のスキュー角θskewを、コギングトルクが１０mNm以下となる３６°〜５７°（電気角）に設定した。なお、図８はマグネット幅や内外径の偏芯量等を変えたモータにて、前記関係を調べたものであるが、両者の関係には、マグネット形態に依らず同様の傾向が得られた。

このように、本発明によるブラシレスモータは、まず、モータの構成として、高調波５次成分を含ませることにより、線間誘起電圧を台形波化できる２Ｐ３Ｓ×ｎ構成を選択し、トルクリップルの低減を図る。その上で、コギングと出力トルクを考慮し、段積み数増加による電圧利用率の低下を極力抑えるべく、両者のバランスに優れた３段積ステップスキュー構造を採用する。そして、誘起電圧の台形波化に寄与する５次高調波成分の含有率を考慮して、スキュー角θskewを電気角３６°〜５７°に設定する。これにより、効率良く線間誘起電圧を台形波化でき、トルクリップルの低減が図られると共に、マグネットの段積みを最小限に抑えつつ、コギングの低減と出力トルクの向上を両立させることができ、組み付け易く、安価で高出力・高性能なブラシレスモータを提供することが可能となる。

一方、図９は、５次高調波成分の含有率と、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率との関係を示したグラフである。図９に示すように、５次高調波成分が大きくなるにつれて出力トルクや回転数も大きくなるが、ある量を超えると逆に低下する。また、トルク増加率と回転数増加率の変化には差異があり、前者は約５％、後者は約６.５％でピークとなる。そこで、本発明者らは、両者が３％以上の増加率を確保できる範囲を有効と考え、含有率４.５％〜６.５％が両者のバランス上好ましいと判断し、これにより、正弦波駆動に対して出力トルクや回転数を効果的に増大させることが可能となった。

本発明は前記実施例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、前述の実施例では、コラムアシスト式のＥＰＳに使用されるブラシレスモータを示したが、他の方式のＥＰＳ用モータにも本発明は適用可能である。加えて、ＥＰＳや各種車載電動品用のモータのみならず、本発明は、広くブラシレスモータ一般にも適用可能である。また、前述の実施例では、マグネットを６個用いた６極９スロットのブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、モータのマグネットやスロットの構成はこれには限定されない。

本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。 図１のモータにおけるステータの構成を示す説明図である。 図１のモータにおけるロータの構成を示す説明図である。 図３の矢示Ｘ方向の側面図（一部破断）である。 ロータ側のスキュー角についての説明図である。 スキュー角とコギングトルクとの関係を示す説明図である。 スキュー角θskew（電気角）とモータ出力トルクとの関係を示す説明図である。 ６Ｐ９Ｓのモータにおけるスキュー角（機械角）と、全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率との関係を示したグラフである。 ５次高調波成分の含有率と、正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率との関係を示したグラフである。 セグメントマグネットにスキュー着磁を行った場合に生じる未着磁帯を示す説明図である。

符号の説明

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ ケース
５ ステータコア
５ａ ティース
５ｂ 溝
６ コイル
６ａ 端部
７ バスバーユニット
８ ブラケット
９ 分割コア
１１ インシュレータ
１２ 給電用端子
１３ ロータシャフト
１４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ａ〜１５ｃ ロータコア
１６ａ〜１６ｃ マグネット
１７ａ〜１７ｃ マグネットホルダ
１８ マグネットカバー
２１ レゾルバ
２２ ロータ（レゾルバロータ）
２３ ステータ（レゾルバステータ）
２４ レゾルバホルダ
２５ レゾルバブラケット
２６ リブ
２７ 雌ネジ部
２８ 取付ネジ
Ｎ 未着磁帯
θskew スキュー角
θstep ステップ角
Ｃ１〜Ｃ３ マグネット中心点
Ｌ マグネット中心点を結ぶ線
Ｏ ロータ回転中心
Ｐ１,Ｐ２ 直線Ｌとロータコア端部との交点

Claims (3)

1. ２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有し複数相のコイルが取り付けられたステータとを備えてなるブラシレスモータであって、
   前記ロータの前記磁極は、軸方向に沿って３列に配置された同一形状のセグメントマグネットにて形成されると共に、隣接列のマグネットが周方向にずれた位置に配置されたステップスキュー構造を有し、
   前記セグメントマグネットのスキュー角θskewを、
   θskew=θstep×マグネット段積み数
   （θstep：前記各セグメントマグネット間のステップ角）
   と定義したとき、
   前記複数相のコイルの線間誘起電圧に含まれる全高調波成分に対する５次高調波成分の含有率が９０％以上となるように、前記セグメントマグネットのスキュー角θskewを電気角３６°〜５７°に設定し、前記線間誘起電圧の波形を台形波状とした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、
   正弦波駆動に対するトルク増加率及び回転数増加率をともに３％以上とすべく、前記線間誘起電圧の基本波に対する５次高調波成分の含有率が４.５％〜６.５％となるように前記スキュー角θskewを設定した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、
   前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリングの駆動源として使用されるモータであることを特徴とするブラシレスモータ。

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