JP2004129487A - ブラシレスモータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ステータ形状に拘わらずコギングトルクが著しく低減されてなるブラシレスモータを提供する。
【解決手段】ロータ1に永久磁石が用いられているブラシレスモータAであって、前記永久磁石の着磁が台形波着磁とされ、前記台形波着磁における着磁傾斜範囲αが下記とされてなるものである。
0.375θT≦α≦0.425θT
ここに、
α:着磁傾斜範囲
θT:スロット間隔角度
【選択図】 図3
【解決手段】ロータ1に永久磁石が用いられているブラシレスモータAであって、前記永久磁石の着磁が台形波着磁とされ、前記台形波着磁における着磁傾斜範囲αが下記とされてなるものである。
0.375θT≦α≦0.425θT
ここに、
α:着磁傾斜範囲
θT:スロット間隔角度
【選択図】 図3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータに関する。さらに詳しくは、例えばEPS(electric power assist steering;電気式パワーステアリング)用モータなど、極めて高度なコギングトルク特性が要求されるモータとしての適用に好適なブラシレスモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車等に適用されるパワーステアリングとして、近年、電気式パワーステアリング(以下、EPSという)が注目を集めるようになってきている。EPSは、油圧式パワーステアリングにおいて必要とされるポンプ、配管を省略できるため、機構の単純化および車両の軽量化を図る上で有利である。
【0003】
図6に従来のEPSの一例を示す。このEPSは、ハンドル101を軸支するコラム102とインターミディエイトシャフト103との接続部にモータ104が配され、モータ104の出力により車両速度に応じた力でハンドリングをアシストするものとされる。EPSにおいては、一般にモータの回転力がハンドル操作のアシスト力として直接利用される。このため、運転者はハンドルを介して間接的にモータ回転軸に触っており、モータの挙動がハンドルフィーリングに与える影響は大きい。
【0004】
また、モータの挙動に係わる諸特性の中で、特にコギングトルクはハンドル中立付近の操作の滑らかさ、すなわち車両の直進性に係わるものであるため、高度の特性を達成する必要性が高いものであるといえる。
【0005】
したがって、EPS用モータとしてブラシレスモータを適用する場合にはモータのコギングトルクを低減することが必要とされ、そして、このようなコギングトルクを低減するための方法としてはモータにスキューを施す方法が一般的である(例えば、特開平10−178766号公報参照)。すなわち、スキュー積層のコア構造を用いたり、永久磁石をスキュー着磁するなどして、コギングトルクをある程度まで低減することが可能である。
【0006】
ところが、EPS用のモータにおいて必要とされるコギングトルク低減の程度は非常に高く(例えば、定格出力の1%以下)、モータにスキューを施すことではコギングトルクを十分に低減することは困難である。
【0007】
そこで、ブラシレスモータのコギングトルクを十分に低減するために、例えば永久磁石の起磁力に変化を与えることが考えられる(特開平9−140104号公報、特開2000−134893号公報等参照)。すなわち、永久磁石の着磁電流の波形(以下、着磁波形という)を調整することによって十分な程度までコギングトルクを低減することが可能である。
【0008】
ところが、コギングトルクを極小とするような着磁波形については、従来、綿密な分析は行われておらず、多様なステータ形状を通じてコギングトルクを極小とする最適な着磁波形を与える理論的または実際的な指針は未だ存在していない。このため、例えばEPS用モータのような極めて高度なコギングトルク特性が要求されるモータにブラシレスモータを適用しようとすると、十分な程度にまでコギングトルク低減させるために各種ステータ形状のモータについて最適な着磁波形を探る作業をアットランダムに実施する必要があり、そのような作業がブラシレスモータを例えばEPS用モータに適用しようとする場合のコストを増大させているといった問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、ステータ形状に拘わらずコギングトルクが著しく低減されてなるブラシレスモータを提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータは、ロータに永久磁石が用いられているブラシレスモータであって、前記永久磁石の着磁が台形波着磁とされ、前記台形波着磁における着磁傾斜範囲が下記とされてなることを特徴とする。
【0011】
0.375θT≦α≦0.425θT
【0012】
ここに、
α:着磁傾斜範囲
θT:スロット間隔角度
【0013】
【作用】
本発明のブラシレスモータは前記の如く構成されているので、ステータの形状の如何にかかわらず、コギングトルクが著しく低減される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【0015】
図1および図2に、本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの概略構成を示す。
【0016】
図1に、ブラシレスモータ(以下単にモータという)の横断面図を示し、このモータAは、円筒体形状の永久磁石からなるロータ1を有し、その中空部分1aにステータ2が配されてなるアウタロータ型モータとされる。
【0017】
ステータ2は、所定形状の鋼板を所要枚数積層してなるものとされ、円筒状のステータヨーク2aと、ステータヨーク2a外周面円周方向に所定間隔、例えば40°ピッチで放射状に設けられる9個のステータネック2b、2b、…と、ステータネック2b、2b、…の各先端に形成されるステータティース2c、2c、…を備え、ステータネック2b、2b、…に駆動コイル2d、2d、2d、…が巻回されている。
【0018】
駆動コイル2dは、3相の駆動コイル、すなわちU相駆動コイル2dU、V相駆動コイル2dVおよびW相駆動コイル2dWからなり、図1における時計回り方向に、U相駆動コイル2dUの隣にV相駆動コイル2dVが位置し、V相駆動コイル2dVの隣にW相駆動コイル2dWが位置し、W相駆動コイル2dWの隣にU相駆動コイル2dUが位置するようにステータネック2b、2b、…に巻回されている。
【0019】
図2に、ロータ1の詳細を示す。同図に示すように、ロータ1は、等幅帯状のN極、S極の各磁極11が周方向に交互に並べられるようにして形成される、フェライト磁石、アルニコ磁石、Sm−Co系磁石、希土類−Fe系磁石などの各種永久磁石を円筒体状に成形したものとされる。
【0020】
また、図3に示すように、ロータ1の磁極11は、着磁強さが周方向に一端(D1)から他端(D2)に向かって台形状に変化するようされている。すなわち、ロータ1の磁極11は、隣接する両側の磁極11との境界線Dから所定範囲の部分に着磁強さが直線的に変化するようされた着磁傾斜部分Pが設けられるものとされる。
【0021】
このとき、着磁傾斜部分Pが設けられる範囲(ロータ1の中心軸I周りの角度αで表す。以下、着磁傾斜範囲という)は、スロット間隔角度、すなわち隣接する各ステータティース2cの間の角度θT(図1参照)の所定割合rの角度とされる。つまり、α=r×θTである。下記不等式1に、本発明者の独自の検証により判明した、コギングトルクを極めて高度に低減させることができる割合rを示す。
【0022】
37.5%(パーセント)≦r≦42.5% (1)
【0023】
すなわち、割合rは37.5%以上かつ42.5%以下の割合とされる。これによって、後の実施例で示すように、従来のブラシレスモータと比較してコギングトルクを各段に小さくすることが可能となり、モータAをEPS(electric power assist steering;電気式パワーステアリング)に適用した場合にも、コギングトルクがハンドルフィーリングに与える影響を十分に排除することが可能となる。すなわち、EPS用モータとして要求される1%以下(実施例では0.1%程度)のコギングトルクを容易に達成することができる。
【0024】
また、モータAはブラシレスモータとされるため、運転席近くに配設されるEPS用モータとして要求される静粛性を達成することも容易である。
【0025】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【0026】
図4に、ロータ(磁石)1の内径:Φ32、外径:Φ38、磁石組成:Nd−Fe−B系のラジアル異方性磁石、とされる6極9スロット型ブラシレスモータ(以下、実施例モータという)において、磁極11の前掲した割合rを各種値、すなわち0%(参考例)、14%(比較例1)、28%(比較例2)および40%(実施例1)の各値に設定した場合の表面磁束密度分布(算出位置はΦ38.4)についてシミュレーションを実施した結果を示す。図5に、参考例、比較例1、比較例2および実施例1におけるコギングトルク特性を示す。
【0027】
図4において、横軸は磁極11の一端D1(図2参照)を基点とする中心軸I周りの角度(degree)を示し、縦軸は対応する角度位置における磁極11表面の磁束密度を示す。図5において、横軸はロータ1の回転角度を示し、縦軸は対応する角度位置におけるコギングトルクを示す。
【0028】
図5に示すように、割合rが0%の場合(参考例)、すなわち方形波により着磁する等して着磁傾斜部分Pを設けない場合は、実施例モータにおいて正逆の回転方向に最大でそれぞれ約100mN・m(ミリ・ニュートン・メートル)程度のコギングトルクが発生する。
【0029】
割合rが14%の場合(比較例1)、すなわち着磁傾斜範囲α(割合r)が全く適切でない値に設定された場合は、実施例モータにおいて正逆回転方向に最大でそれぞれ約95mN・m程度のコギングトルクが発生する。
【0030】
割合rが28%の場合(比較例2)、すなわち、着磁波形とステータ形状との相関について十分な分析がされておらず、着磁傾斜範囲α(割合r)が適切に設定されていない従来の一般的なブラシレスモータの場合は、実施例モータにおいて正逆回転方向に最大でそれぞれ約65mN・m程度のコギングトルクが発生する。
【0031】
これに対して、割合rが前記不等式1の条件を満たす40%に設定された場合(実施例1)は、着磁傾斜範囲αが適切に設定されているため、コギングトルクをほぼ零に抑えられている。
【0032】
したがって、前記不等式1の条件を満たすよう着磁傾斜範囲αを設定することにより、コギングトルクをほぼ零に抑えることが可能であるといえる。
【0033】
以上、本発明を実施形態および実施例により説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例にのみ限定されるものではなく種々改変が可能である。例えば、実施例ではいわゆる6P9Sモータとされているが、本発明の適用は6P9Sモータに限定されるものではなく、各種のブラシレスモータに適用が可能である。また、実施形態では、モータはアウターロータ型とされているが、インナーロータ型とされてもよい。
【0034】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のブラシレスモータによれば、ステータの形状の如何にかかわらず、コギングトルクが著しく低減されるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの概略横断面図である。
【図2】同モータのロータの詳細を示す模式図である。
【図3】ロータの磁極における周方向位置と着磁強さの関係を示すグラフ図である。
【図4】各実施例のロータ磁極における表面磁束密度分布を示すグラフ図である。
【図5】各実施例のコギングトルク特性を示すグラフ図である。
【図6】従来のEPSの概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
A ブラシレスモータ
P 着磁傾斜部分
α 着磁傾斜範囲
1 ロータ(回転子)
2 ステータ(固定子)
11 磁極
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスモータに関する。さらに詳しくは、例えばEPS(electric power assist steering;電気式パワーステアリング)用モータなど、極めて高度なコギングトルク特性が要求されるモータとしての適用に好適なブラシレスモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車等に適用されるパワーステアリングとして、近年、電気式パワーステアリング(以下、EPSという)が注目を集めるようになってきている。EPSは、油圧式パワーステアリングにおいて必要とされるポンプ、配管を省略できるため、機構の単純化および車両の軽量化を図る上で有利である。
【0003】
図6に従来のEPSの一例を示す。このEPSは、ハンドル101を軸支するコラム102とインターミディエイトシャフト103との接続部にモータ104が配され、モータ104の出力により車両速度に応じた力でハンドリングをアシストするものとされる。EPSにおいては、一般にモータの回転力がハンドル操作のアシスト力として直接利用される。このため、運転者はハンドルを介して間接的にモータ回転軸に触っており、モータの挙動がハンドルフィーリングに与える影響は大きい。
【0004】
また、モータの挙動に係わる諸特性の中で、特にコギングトルクはハンドル中立付近の操作の滑らかさ、すなわち車両の直進性に係わるものであるため、高度の特性を達成する必要性が高いものであるといえる。
【0005】
したがって、EPS用モータとしてブラシレスモータを適用する場合にはモータのコギングトルクを低減することが必要とされ、そして、このようなコギングトルクを低減するための方法としてはモータにスキューを施す方法が一般的である(例えば、特開平10−178766号公報参照)。すなわち、スキュー積層のコア構造を用いたり、永久磁石をスキュー着磁するなどして、コギングトルクをある程度まで低減することが可能である。
【0006】
ところが、EPS用のモータにおいて必要とされるコギングトルク低減の程度は非常に高く(例えば、定格出力の1%以下)、モータにスキューを施すことではコギングトルクを十分に低減することは困難である。
【0007】
そこで、ブラシレスモータのコギングトルクを十分に低減するために、例えば永久磁石の起磁力に変化を与えることが考えられる(特開平9−140104号公報、特開2000−134893号公報等参照)。すなわち、永久磁石の着磁電流の波形(以下、着磁波形という)を調整することによって十分な程度までコギングトルクを低減することが可能である。
【0008】
ところが、コギングトルクを極小とするような着磁波形については、従来、綿密な分析は行われておらず、多様なステータ形状を通じてコギングトルクを極小とする最適な着磁波形を与える理論的または実際的な指針は未だ存在していない。このため、例えばEPS用モータのような極めて高度なコギングトルク特性が要求されるモータにブラシレスモータを適用しようとすると、十分な程度にまでコギングトルク低減させるために各種ステータ形状のモータについて最適な着磁波形を探る作業をアットランダムに実施する必要があり、そのような作業がブラシレスモータを例えばEPS用モータに適用しようとする場合のコストを増大させているといった問題がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、ステータ形状に拘わらずコギングトルクが著しく低減されてなるブラシレスモータを提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスモータは、ロータに永久磁石が用いられているブラシレスモータであって、前記永久磁石の着磁が台形波着磁とされ、前記台形波着磁における着磁傾斜範囲が下記とされてなることを特徴とする。
【0011】
0.375θT≦α≦0.425θT
【0012】
ここに、
α:着磁傾斜範囲
θT:スロット間隔角度
【0013】
【作用】
本発明のブラシレスモータは前記の如く構成されているので、ステータの形状の如何にかかわらず、コギングトルクが著しく低減される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【0015】
図1および図2に、本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの概略構成を示す。
【0016】
図1に、ブラシレスモータ(以下単にモータという)の横断面図を示し、このモータAは、円筒体形状の永久磁石からなるロータ1を有し、その中空部分1aにステータ2が配されてなるアウタロータ型モータとされる。
【0017】
ステータ2は、所定形状の鋼板を所要枚数積層してなるものとされ、円筒状のステータヨーク2aと、ステータヨーク2a外周面円周方向に所定間隔、例えば40°ピッチで放射状に設けられる9個のステータネック2b、2b、…と、ステータネック2b、2b、…の各先端に形成されるステータティース2c、2c、…を備え、ステータネック2b、2b、…に駆動コイル2d、2d、2d、…が巻回されている。
【0018】
駆動コイル2dは、3相の駆動コイル、すなわちU相駆動コイル2dU、V相駆動コイル2dVおよびW相駆動コイル2dWからなり、図1における時計回り方向に、U相駆動コイル2dUの隣にV相駆動コイル2dVが位置し、V相駆動コイル2dVの隣にW相駆動コイル2dWが位置し、W相駆動コイル2dWの隣にU相駆動コイル2dUが位置するようにステータネック2b、2b、…に巻回されている。
【0019】
図2に、ロータ1の詳細を示す。同図に示すように、ロータ1は、等幅帯状のN極、S極の各磁極11が周方向に交互に並べられるようにして形成される、フェライト磁石、アルニコ磁石、Sm−Co系磁石、希土類−Fe系磁石などの各種永久磁石を円筒体状に成形したものとされる。
【0020】
また、図3に示すように、ロータ1の磁極11は、着磁強さが周方向に一端(D1)から他端(D2)に向かって台形状に変化するようされている。すなわち、ロータ1の磁極11は、隣接する両側の磁極11との境界線Dから所定範囲の部分に着磁強さが直線的に変化するようされた着磁傾斜部分Pが設けられるものとされる。
【0021】
このとき、着磁傾斜部分Pが設けられる範囲(ロータ1の中心軸I周りの角度αで表す。以下、着磁傾斜範囲という)は、スロット間隔角度、すなわち隣接する各ステータティース2cの間の角度θT(図1参照)の所定割合rの角度とされる。つまり、α=r×θTである。下記不等式1に、本発明者の独自の検証により判明した、コギングトルクを極めて高度に低減させることができる割合rを示す。
【0022】
37.5%(パーセント)≦r≦42.5% (1)
【0023】
すなわち、割合rは37.5%以上かつ42.5%以下の割合とされる。これによって、後の実施例で示すように、従来のブラシレスモータと比較してコギングトルクを各段に小さくすることが可能となり、モータAをEPS(electric power assist steering;電気式パワーステアリング)に適用した場合にも、コギングトルクがハンドルフィーリングに与える影響を十分に排除することが可能となる。すなわち、EPS用モータとして要求される1%以下(実施例では0.1%程度)のコギングトルクを容易に達成することができる。
【0024】
また、モータAはブラシレスモータとされるため、運転席近くに配設されるEPS用モータとして要求される静粛性を達成することも容易である。
【0025】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【0026】
図4に、ロータ(磁石)1の内径:Φ32、外径:Φ38、磁石組成:Nd−Fe−B系のラジアル異方性磁石、とされる6極9スロット型ブラシレスモータ(以下、実施例モータという)において、磁極11の前掲した割合rを各種値、すなわち0%(参考例)、14%(比較例1)、28%(比較例2)および40%(実施例1)の各値に設定した場合の表面磁束密度分布(算出位置はΦ38.4)についてシミュレーションを実施した結果を示す。図5に、参考例、比較例1、比較例2および実施例1におけるコギングトルク特性を示す。
【0027】
図4において、横軸は磁極11の一端D1(図2参照)を基点とする中心軸I周りの角度(degree)を示し、縦軸は対応する角度位置における磁極11表面の磁束密度を示す。図5において、横軸はロータ1の回転角度を示し、縦軸は対応する角度位置におけるコギングトルクを示す。
【0028】
図5に示すように、割合rが0%の場合(参考例)、すなわち方形波により着磁する等して着磁傾斜部分Pを設けない場合は、実施例モータにおいて正逆の回転方向に最大でそれぞれ約100mN・m(ミリ・ニュートン・メートル)程度のコギングトルクが発生する。
【0029】
割合rが14%の場合(比較例1)、すなわち着磁傾斜範囲α(割合r)が全く適切でない値に設定された場合は、実施例モータにおいて正逆回転方向に最大でそれぞれ約95mN・m程度のコギングトルクが発生する。
【0030】
割合rが28%の場合(比較例2)、すなわち、着磁波形とステータ形状との相関について十分な分析がされておらず、着磁傾斜範囲α(割合r)が適切に設定されていない従来の一般的なブラシレスモータの場合は、実施例モータにおいて正逆回転方向に最大でそれぞれ約65mN・m程度のコギングトルクが発生する。
【0031】
これに対して、割合rが前記不等式1の条件を満たす40%に設定された場合(実施例1)は、着磁傾斜範囲αが適切に設定されているため、コギングトルクをほぼ零に抑えられている。
【0032】
したがって、前記不等式1の条件を満たすよう着磁傾斜範囲αを設定することにより、コギングトルクをほぼ零に抑えることが可能であるといえる。
【0033】
以上、本発明を実施形態および実施例により説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例にのみ限定されるものではなく種々改変が可能である。例えば、実施例ではいわゆる6P9Sモータとされているが、本発明の適用は6P9Sモータに限定されるものではなく、各種のブラシレスモータに適用が可能である。また、実施形態では、モータはアウターロータ型とされているが、インナーロータ型とされてもよい。
【0034】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のブラシレスモータによれば、ステータの形状の如何にかかわらず、コギングトルクが著しく低減されるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの概略横断面図である。
【図2】同モータのロータの詳細を示す模式図である。
【図3】ロータの磁極における周方向位置と着磁強さの関係を示すグラフ図である。
【図4】各実施例のロータ磁極における表面磁束密度分布を示すグラフ図である。
【図5】各実施例のコギングトルク特性を示すグラフ図である。
【図6】従来のEPSの概略構成を示す模式図である。
【符号の説明】
A ブラシレスモータ
P 着磁傾斜部分
α 着磁傾斜範囲
1 ロータ(回転子)
2 ステータ(固定子)
11 磁極
Claims (1)
- ロータに永久磁石が用いられているブラシレスモータであって、前記永久磁石の着磁が台形波着磁とされ、前記台形波着磁における着磁傾斜範囲が下記とされてなることを特徴とするブラシレスモータ。
0.375θT≦α≦0.425θT
ここに、
α:着磁傾斜範囲
θT:スロット間隔角度
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---|---|---|---|
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- 2003-07-25 JP JP2003202116A patent/JP2004129487A/ja not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060526 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20070402 |