JPH07213040A

JPH07213040A - ３相ブラシレスモータ

Info

Publication number: JPH07213040A
Application number: JP433994A
Authority: JP
Inventors: Minoru Takahashi; 稔高橋
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1995-08-11

Abstract

(57)【要約】【目的】回転トルクの変動を小さく抑える。【構成】ロータ７Ａは、６個のセグメント１６、１６
を組み合わせて成る。各セグメント１６、１６の外周面
円周方向両端縁部に面取り部１７、１７を形成する。各
面取り部１７、１７に基づき、前記ロータ７Ａの外周面
７ａに凹溝１８、１８を、軸方向に亙って形成する。各
凹溝１８、１８を形成する位置は、隣り合うＳ極とＮ極
との境界から円周方向同方向に、電気角でほぼ６０度だ
けずれた部分とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明に係る３相ブラシレスモ
ータは、例えば電動式パワーステアリング装置の駆動源
として利用する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の操舵力を軽減させる為にパワー
ステアリング装置が広く使用されているが、軽自動車等
の小型自動車用パワーステアリング装置の駆動源とし
て、３相ブラシレスモータを使用する事が研究されてい
る。図６は、一般的な３相ブラシレスモータを示してい
る。モータケース１は、円筒状の筒部２の前端（図６の
上端）開口を円輪状の前蓋３により、後端（図６の下
端）開口を円板状の後蓋４により、それぞれ塞いでい
る。前記前蓋３と後蓋４との中央部にはそれぞれ軸受
５、５を設け、これら両軸受５、５により、前記筒部２
の中心部を挿通された回転軸６を、回転自在に支持して
いる。

【０００３】前記回転軸６の中間部外周面で、前記モー
タケース１内に位置する部分には、ロータ７を支持固定
している。このロータ７は、永久磁石により円筒状に構
成されており、図７に示す様に外周面７ａの磁極（Ｓ極
とＮ極）を、円周方向に亙って交互に、且つ等間隔に変
化させている。この様なロータ７は、それぞれが円弧状
に形成された、同形、同大の永久磁石（セグメント）を
円筒状に組み合わせたり、或は円筒状に形成された１個
の永久磁石の着磁方法を工夫する事で、外周面７ａの磁
極を交互に変化させている。

【０００４】一方、前記筒部２の内周面には、３相の駆
動コイル８を支持固定している。この駆動コイル８は、
磁性材製のコア９に、次述するコイル１０ａ、１０ｂ、
１０ｃを巻回する事により、円筒状に構成されており、
その内周面を前記ロータ７の外周面と対向させている。
この駆動コイル８は、図８に示す様に、ａ相、ｂ相、ｃ
相の３相のコイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃを組み合わせ
て成る。そして、次述するホール素子１２からの信号に
基づき、同図に示す様な制御回路により、これら各コイ
ル１０ａ、１０ｂ、１０ｃへの通電を制御される。

【０００５】前記回転軸６の後端部（図６の下端部）
で、前記後蓋４の内面４ａと対向する部分には、位相検
出用永久磁石１１を固定している。円輪状に形成され
た、この位相検出用永久磁石１１は、上述したロータ７
と同様に、円周方向に亙る磁極を交互に且つ等間隔に変
化させている。そして、この位相検出用永久磁石１１の
側面に対向させて、ホール素子、ホールＩＣ、磁気抵抗
素子等の位相検出素子１２を設けている。図示の例で
は、３個の位相検出素子１２を、非磁性材製で円輪状の
支持板１３に支持し、この支持板１３を前記後蓋４の内
面４ａに、ステー１４、１４を介して支持している。
尚、前記位相検出素子１２を前記ロータ７に対向させる
事により、前記位相検出用永久磁石１１を省略する事も
できる。

【０００６】前記位相検出素子１２によるロータ７と駆
動コイル８との位相検出は、位相検出用永久磁石１１に
より形成される磁気回路の磁束の方向を、前記位相検出
素子１２により検出する事で行なう。位相検出用永久磁
石１１の磁極が変化するピッチと、前記ロータ７の外周
面の磁極が変化するピッチとは互いに等しい。従って、
前記位相検出素子１２によりロータ７と駆動コイル８と
の位相を検出し、前記駆動コイル８を構成するａ相、ｂ
相、ｃ相の３相のコイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃのうち
の何れか２相のコイルに適当なタイミングで適宜方向の
直流電流を送れば、前記ロータ７を所望方向に回転させ
る事ができる。

【０００７】即ち、前記回転軸６を回転させる場合に
は、前記位相検出素子１２により検出される、前記ロー
タ７と駆動コイル８との位相に基づき、図８に示す様な
制御回路を構成する、トランジスタ１５、１５やＳＣＲ
（シリコン制御整流器）の働きによって、前記駆動コイ
ル８を構成する各コイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃに適宜
方向の直流電流を送り、前記駆動コイル８を励磁する。
即ち、前記ａ相、ｂ相、ｃ相の３相のコイル１０ａ、１
０ｂ、１０ｃのうちの何れか２相のコイルに、互いに逆
方向の電流を矩形波的に通電し、残りの１相のコイルに
通電しない状態を、電気角で６０度ごとに通電しないコ
イルを変え（スイッチングし）つつ、繰り返し実現させ
る。この結果、この駆動コイル８と前記ロータ７を構成
する永久磁石との間に吸引力並びに反発力が作用して、
このロータ７が回転する。

【０００８】上述の様に構成され作用する３相ブラシレ
スモータを、パワーステアリング装置の駆動源として利
用する場合には、前記回転軸６の前端部（図６の上端
部）から回転駆動力を取り出し、この回転駆動力によっ
て、ステアリングシャフトを回転させる。但し、前記回
転駆動力（トルク）の大きさＴは、前記ステアリングシ
ャフトを回転させる為に要する力（トルク）Ｆよりも小
さく（Ｔ＜Ｆ）して、この回転駆動力を、ステアリング
ホイールを操作する為に要する操舵力の軽減に利用す
る。又、操舵輪（一般的には自動車の前輪）に舵角を付
与したままとする場合には、前記回転軸６により前記ス
テアリングシャフトに、前記舵角を保持する方向の力を
加える。この結果、舵角保持の為にステアリングホイー
ルに加え続けなければならない操舵力が軽減される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の様に
構成され作用する従来の３相ブラシレスモータの場合、
回転に伴うトルク変動が大きく、そのままでは自動車用
パワーステアリングの駆動源として好ましくない。

【００１０】即ち、永久磁石により構成されるロータ７
の表面の磁束密度は、図９に示す様に、正弦波的に変化
する。そして、駆動コイル８への通電に基づき、前記各
コイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃとロータ７との間に作用
する、このロータ７を回転させる方向のトルクは、この
磁束密度に比例して変化する。例えば、ａ相のコイル１
０ａとロータ７との間に作用するトルクが図１０に実線
ａで示す様に変化する場合には、ｂ相のコイル１０ｂと
ロータ７との間に作用するトルクは同図に鎖線ｂで示す
様に、ｃ相のコイル１０ｃとロータ７との間に作用する
トルクは同図に破線ｃで示す様に、それぞれ変化する。
前記ロータ７を介して回転軸６に加えられる回転トルク
は、これら各相のコイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃとロー
タ７との間に作用するトルクの合計値となる。従って、
この様な回転トルクＴは、前記回転軸６の回転に伴っ
て、図１０の実線Ａに示す様に変化する。

【００１１】この実線Ａから明らかな通り、前記回転軸
６の回転トルクＴは、電気角で６０度を１周期として
（図７に示す様に、Ｓ極とＮ極とを３組ずつ設けた場合
には回転軸６の１／１８回転を１周期として）変動し、
しかも変動幅△Ｔ（トルクリップル）がかなり大きくな
る。本発明者の試算によると、回転トルクＴの最大値Ｔ
_MAX と最小値Ｔ_MIN との差である変動幅△Ｔ（＝Ｔ_MAX
−Ｔ_MIN ）が回転トルクＴの平均値Ｔ_AVE （＝（Ｔ_MAX
＋Ｔ_MIN ）／２）に対する割合は、１４．２％にも達す
る。

【００１２】この様に前記回転軸６の回転トルクＴが大
きく変動する３相ブラシレスモータを、パワーステアリ
ング装置の駆動源として使用すると、アシスト力（回転
トルク）の変動に伴って、運転者がステアリングホイー
ルを操作する為に要する力（操舵力）が大きく変動し、
運転者に奇異な感じを与える為、好ましくない。

【００１３】この様な不都合を生じる回転トルクＴの変
動は、前述した様に、前記ロータ７の表面の磁束密度が
円周方向に亙って正弦波的に変化する事に伴って生じ
る。従って、このロータ７を構成する永久磁石の着磁方
法を工夫する事により、回転トルクＴの変動を抑える事
も、一応は可能である。即ち、ロータ７の表面の磁束密
度を、図１１に示す様に台形波的に変化させれば、前記
回転トルクＴの変動を少なくできる。ところが、変動を
少なくすべく、ロータ７の表面の磁束密度を図１１に示
す様に調整する事は技術的に難しく、現在のところ、現
実的な解決方法とは言えない。

【００１４】この様な事情に鑑みて本発明者は先に、ロ
ータ７の外周面７ａで各磁極の円周方向中間位置に、前
記ロータ７の軸方向に亙る凹溝を形成する発明をなした
（実願平５−５０６３２号）。即ち、この先発明では、
各凹溝部分で前記外周面７ａと駆動コイル８の内周面と
の間の隙間部分の厚さ寸法を大きくし、当該部分を低磁
束密度領域とする。低磁束密度領域部分で回転軸に加え
られる回転トルクは、磁束密度が低くなった分だけ小さ
くなる。この様に、磁束密度が低くなって回転軸の回転
トルクが小さくなる部分は、この回転トルクが最大とな
る部分に対応する為、回転トルクの最大値が低くなる分
だけ、この最大値と最小値との差、即ち回転トルクの変
動幅が小さくなる。

【００１５】ところが、この様な先発明の３相ブラシレ
スモータの場合、前記低磁束密度領域を設けるべく、円
筒形の単体磁石の外周面に、この磁石の一部を凹ませる
事により凹溝を形成している為、ロータ７の製作が面倒
になる。この結果、ロータ７並びにこのロータ７を組み
込んだ３相ブラシレスモータの製作費が嵩む原因となる
為、改良が望まれている。本発明の３相ブラシレスモー
タは、上述の様な事情に鑑みて発明したものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の３相ブラシレス
モータは、前述した従来の３相ブラシレスモータと同様
に、回転軸と、この回転軸の外周面に固定されたロータ
と、このロータを囲んで設けられた３相の駆動コイルと
を備えている。そして、前記ロータの外周面にはＳ極と
Ｎ極とが交互に、且つ等間隔に着磁されている。

【００１７】特に、本発明の３相ブラシレスモータに於
いては、前記ロータは、それぞれが断面円弧形である複
数のセグメントを同一円周上に配置する事により円筒形
に形成されたものである。そして、隣り合うセグメント
同士の間には、それぞれが前記ロータの外周面からこの
ロータの直径方向内方に凹入する、前記ロータの軸方向
に長い複数の凹溝が形成されている。又、各凹溝の円周
方向に亙る位置は、前記ロータの外周面の隣り合うＳ極
とＮ極との境界からそれぞれ円周方向同方向に、電気角
でほぼ６０度ずれた部分である。

【００１８】

【作用】上述の様に構成される本発明の３相ブラシレス
モータの場合、ロータの外周面と駆動コイルの内周面と
の間の隙間の幅寸法が、隣り合うセグメント同士の間に
形成された複数の凹溝に対応する部分で広くなる。この
結果、前記隙間部分の磁束密度が、前記各凹溝部分で低
くなる。そして、磁束密度が低くなった分だけ、回転軸
の回転トルクも小さくなる。この様に、磁束密度が低く
なって回転軸の回転トルクが小さくなる部分は、この回
転トルクが最大となる部分に対応する。従って、回転ト
ルクの最大値が低くなる分だけ、この最大値と最小値と
の差、即ち回転トルクの変動幅が小さくなる。

【００１９】

【実施例】図１〜４は本発明の第一実施例を示してい
る。尚、本発明の特徴は、回転トルクの変動を抑えるべ
く、ロータ７Ａの構造を工夫する事により、このロータ
７Ａの外周面７ａと駆動コイル８（図６）の内周面との
間の隙間部分の磁束密度を調節した点に特徴がある。そ
の他の部分の構成及び作用は、前述した従来の３相ブラ
シレスモータと同様である。よって、同様部分に就いて
は図示並びに説明を省略し、以下、本発明の特徴部分を
中心に説明する。尚、図面中の角度は、総て電気角で表
している。

【００２０】回転軸６の中間部外周面に固定されて、こ
の回転軸６と共に回転するロータ７Ａは、それぞれが断
面円弧形に形成された永久磁石である複数のセグメント
１６、１６を同一円周上に配置する事により、円筒形に
形成されている。図示の実施例では、それぞれの中心角
が機械角で６０度である、同形、同大の６個のセグメン
ト１６、１６を円筒形に組み合わせる事により、上記ロ
ータ７Ａを構成している。

【００２１】これら各セグメント１６、１６の外周面で
円周方向両端縁部には、それぞれ面取り部１７、１７を
形成している。この様な面取り部１７、１７を形成した
６個のセグメント１６、１６により前記円筒形のロータ
７Ａを構成した状態で、このロータ７Ａの外周面には、
断面がＶ字形である６個の凹溝１８、１８が、円周方向
に亙って等間隔に、それぞれロータ７Ａの軸方向（図１
の表裏方向）に亙って形成される。本発明の３相ブラシ
レスモータでは、前記各凹溝１８、１８部分で、前記外
周面７ａと駆動コイル８（図６）の内周面との間の隙間
部分の厚さ寸法を大きくしている。

【００２２】この様に構成されたロータ７Ａの外周面７
ａにはＳ極とＮ極とを、交互に、且つ等間隔に配置して
いる。但し、外周面７ａ部分で隣り合う異極同士の境界
は、隣り合うセグメント１６、１６同士の境界から円周
方向にずらせている。即ち、隣り合う異極同士の境界
は、前記各凹溝１８、１８の中間部分に存在する。更に
詳しく言えば、これら各凹溝１８、１８が存在する位置
が、隣り合うＳ極とＮ極との境界から円周方向同方向
に、電気角でほぼ６０度だけずれた部分となる様に、前
記異極同士の境界位置を規制している。

【００２３】上述の様に構成される本発明の３相ブラシ
レスモータの場合、前記ロータ７Ａの外周面７ａと駆動
コイル８の内周面との間の隙間部分の磁束密度が、図２
に示す様に、前記各凹溝１８、１８による低磁束密度領
域を設けた、前記異極同士の境界から電気角でほぼ６０
度ずれた位置部分で低くなる。前記ロータ７Ａの外周面
７ａと対向する駆動コイル８（図６）には、前述した従
来構造の場合と同様に、３相のコイル１０ａ、１０ｂ、
１０ｃ（図８）が設けられており、これら各コイル１０
ａ、１０ｂ、１０ｃには、図３に示す様に互いに位相を
ずらせた電流が、矩形波状に通電される。

【００２４】この様に各コイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ
に通電した場合、前記ロータ７Ａを回転させる方向の回
転トルクＴは、前述した従来構造の場合と同様に、この
ロータ７Ａの外周面７ａの磁束密度に比例して変化す
る。そして、ａ相のコイル１０ａとロータ７Ａとの間に
作用するトルクが図４に実線ａ´で示す様に変化する場
合には、ｂ相のコイル１０ｂとロータ７Ａとの間に作用
するトルクは同図に鎖線ｂ´で示す様に、ｃ相のコイル
１０ｃとロータ７Ａとの間に作用するトルクは同図に破
線ｃ´で示す様に、それぞれ変化する。前記ロータ７Ａ
を介して回転軸６に加えられる回転トルクは、これら各
相のコイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃとロータ７Ａとの間
に作用するトルクの合計値となる。従って、この様な回
転トルクは、前記回転軸６の回転に伴って、図４の実線
Ａ´に示す様に変化する。

【００２５】この実線Ａ´で表される、回転軸６の回転
トルクＴは、前記ロータ７Ａの外周面７ａの磁束密度が
低くなった分だけ小さくなるが、この様に磁束密度が低
くなって回転軸６の回転トルクＴが小さくなる部分は、
この回転トルクＴが最大となる部分に対応する。従っ
て、回転トルクＴの最大値Ｔ_MAX ´が低くなる分だけ、
この最大値Ｔ_MAX ´と最小値Ｔ_MIN ´との差、即ち回転
トルクＴの変動幅△Ｔ´が小さくなる。

【００２６】本発明者の試算によると、前記凹溝１８、
１８を形成する事により、前記境界から電気角で６０度
ずれた位置部分の磁束密度を、凹溝１８、１８を形成し
ない場合に得られる磁束密度の７０％にまで減少させた
場合には、回転トルクＴの最大値Ｔ_MAX ´と最小値Ｔ
_MIN ´との差である変動幅△Ｔ´（＝Ｔ_MAX ´−Ｔ_MIN
´）が回転トルクＴの平均値Ｔ_AVE ´（＝（Ｔ_MAX ´＋
Ｔ_MIN ´）／２）に対する割合を１％にまで低減できる
事が分った。又、実際に試作品で行なった実験によって
も、前記割合を５％にまで低減する事ができた。尚、試
作品では、前記各セグメント１６、１６の厚さ寸法Ｔ₁₆
に対する前記各凹溝１８、１８の深さ寸法Ｔ₁₈の割合Ｔ
₁₈／Ｔ₁₆を１７％、前記各セグメント１６、１６の外周
幅Ｌ₁₆に対する前記各凹溝１８、１８の幅Ｌ₁₈の割合Ｌ
₁₈／Ｌ₁₆を１７％とした。

【００２７】次に、図５は本発明の第二実施例を示して
いる。本実施例の場合には、ロータ７Ｂを構成する為の
セグメント１６ａ、１６ａの円周方向に亙る幅寸法を、
上述した第一実施例の場合に比べて小さくしている。各
セグメント１６ａ、１６ａの外周面で円周方向両端縁部
には、特に面取り部を形成してはいない。この様に幅寸
法が小さな前記各セグメント１６ａ、１６ａは、上述し
た第一実施例の場合と同様に、やはり回転軸６の中間部
外周面に固定して、円筒形のロータ７Ｂを構成する。

【００２８】この様に円筒形のロータ７Ｂを構成する前
記各セグメント１６ａ、１６ａは、円周方向に亙って互
いに等ピッチで配置する。従って、隣り合うセグメント
１６ａ、１６ａの円周方向両端面同士の間には、それぞ
れ隙間状の凹溝１８ａ、１８ａが形成される。この様な
凹溝１８ａ、１８ａを形成する位置も、上述した第一実
施例と同様に、隣り合うＳ極とＮ極との境界から円周方
向同方向に、電気角でほぼ６０度だけずれた部分として
いる。その他の構成及び作用は、上述した第一実施例と
同様である。

【００２９】

【発明の効果】本発明の３相ブラシレスモータは、以上
に述べた通り構成され作用する為、回転軸に加わるトル
クむらを小さくして、例えばパワーステアリング装置の
駆動源として使用した場合に、運転者に違和感を与える
事を防止できる。又、ロータの外周面に凹溝を容易に形
成できる為、ロータを組み込んだ３相ブラシレスモータ
の製作費を高くする事もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す、ロータの端面図。

【図２】図１に示したロータの外周面の円周方向に亙る
磁束密度の変化を示す線図。

【図３】駆動コイルへの通電状況を示す線図。

【図４】本発明の実施例の３相ブラシレスモータのトル
ク変動を示す線図。

【図５】本発明の第二実施例を示す、図１と同様の図。

【図６】本発明の対象となる３相ブラシレスモータの構
造の１例を示す断面図。

【図７】従来の３相ブラシレスモータに組み込まれてい
たロータの端面図。

【図８】駆動コイルの駆動回路を示す回路図。

【図９】図８に示したロータの外周面の円周方向に亙る
磁束密度の変化を示す線図。

【図１０】従来の３相ブラシレスモータのトルク変動を
示す線図。

【図１１】回転トルク変動を抑える事が可能なロータ外
周面の磁束密度の変化を示す線図。

【符号の説明】

１モータケース２筒部３前蓋４後蓋４ａ内面５軸受６回転軸７、７Ａ、７Ｂロータ７ａ外周面８駆動コイル９コア１０ａ、１０ｂ、１０ｃコイル１１位相検出用永久磁石１２位相検出素子１３支持板１４ステー１５トランジスタ１６、１６ａセグメント１７面取り部１８、１８ａ凹溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸と、この回転軸の外周面に固定さ
れたロータと、このロータを囲んで設けられた３相の駆
動コイルとを備え、前記ロータの外周面にはＳ極とＮ極
とが交互に、且つ等間隔に着磁されている３相ブラシレ
スモータに於いて、前記ロータは、それぞれが断面円弧
形である複数のセグメントを同一円周上に配置する事に
より円筒形に形成されたものであり、隣り合うセグメン
ト同士の間には、それぞれが前記ロータの外周面からこ
のロータの直径方向内方に凹入する、前記ロータの軸方
向に長い複数の凹溝が形成されており、各凹溝の円周方
向に亙る位置は、前記ロータの外周面の隣り合うＳ極と
Ｎ極との境界からそれぞれ円周方向同方向に、電気角で
ほぼ６０度ずれた部分である事を特徴とする３相ブラシ
レスモータ。