JP2004242489A - ブラシレスモータ - Google Patents
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Abstract
【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、前記永久磁石が台形波着磁により着磁され、前記台形波着磁が、コギングトルクの発生周期が方形波着磁がなされている永久磁石を用いた場合に生ずるコギングトルクの発生周期のほぼ半分となるようになされてなるものである。このブラシレスモータAにおいては、ロータ1にスキュー着磁が併用されてなるのが好ましい。
【選択図】 図3
Description
【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;電動式パワーステアリング)用モータなど、極めて低コギングトルク特性が要求されるモータ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、電動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。また、パワーアシスト時以外エネルギーを消費しないため、燃費向上に大きく貢献する。
【0003】
図10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、極めて小さく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る。そして、コギングトルクを低減するための方法として、モータにスキューを施す方法が提案されかつ実施されている(例えば、特開平10−178766号公報参照)。例えば、スキュー積層のコア構造を用いたり、永久磁石に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なされている。
【0006】
ところが、EPS用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、定格トルクの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提案されている(特開平9−140104号公報、特開2000−134893号公報等参照)。例えば、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コギングトルクを低減することが提案されている。
【0008】
しかしながら、本発明者のシミュレーションによると、前記いずれの提案においても、コギングトルクをEPS用のモータにおいて必要とされる程度にまで低減させることが困難であることが判明した。
【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、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】
本発明者はかかる課題に対し鋭意研究した結果、永久磁石を用いたブラシレスモータにおいて、台形波着磁の傾斜角を大きくしてゆくと、コギングトルクが低減されるとともに、コギングトルクの波形が変形し、ある傾斜角ではコギングトルクの波形の周期が、傾斜角のない方形波着磁やそれ以外の台形波着磁のコギングトルクの波形の周期のほぼ半分となり、その結果コギングトルクがEPS用モータにおいて必要とされる程度にまで低減されることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0011】
すなわち、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、前記永久磁石が台形波着磁により着磁され、前記台形波着磁が、コギングトルクの発生周期が方形波着磁がなされている永久磁石を用いた場合に生ずるコギングトルクの発生周期のほぼ半分となるようになされてなることを特徴とする。
【0012】
本発明のブラシレスモータにおいては、コギングトルクの波形の波高値が、ほぼ一致するようにして着磁がなされてなるのが好ましい。
【0013】
また、本発明のブラシレスモータにおいては、スキュー着磁が併用されてなるのが好ましい。その場合、スキュー角度が、基準角度に対して±5%の範囲とされてなるのがさらに好ましい。
【0014】
【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、トルクリプルおよびコギングトルクをEPSモータに適用可能な範囲に低減できる。
【0015】
【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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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、もしくは圧粉コアと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。
【0019】
集中巻きといわれる駆動コイル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。
【0020】
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。
【0021】
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(起磁力)が直線的に変化する部分(以下、着磁傾斜部分という)Pが設けられるものとされる。
【0022】
このとき、下記式1に示す着磁傾斜部分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)とθT(=360度/ステータ極数と磁石極数の最小公倍数)との関係式において、コギングトルク関係数rを下記不等式2に示す範囲の値とすることによってモータAのコギングトルクを著しく減少させ得ることが本発明者の独自の検証により判明した。
【0023】
α=β×r×θT (1)
【0024】
ただし、β:磁石極数nPとスロット数nSの最小公倍数Mをスロット数nSの2倍数により除して得られる定数(β:β=M/2nS)およびその倍数である。
【0025】
0.375≦r≦0.55 (2)
【0026】
すなわち、前記関係式1においてコギングトルク関係数rが0.375以上かつ0.55以下の値となるように着磁傾斜範囲αを設定することによって、様々な磁石極数nP、スロット数nS、θTのブラシレスモータを通じてモータAのコギングトルクを例えばEPSモータとしての適用が可能な程度まで著しく減少させることが可能となる。
【0027】
なお、前記式1において、コギングトルク関係数rと定数βとの積R(=r×β)は、着磁傾斜範囲αのθTに対する割合を示すので、本明細書においては着磁傾斜範囲割合と称するものとする。
【0028】
ここで、モータが6極9スロット型のときには、前記式1、2を満足する範囲において台形波着磁における着磁傾斜範囲αを15度とすると、後掲の実施例で示すように、コギングトルクの発生周期は、着磁傾斜範囲αを0度、つまり方形波着磁としたもののコギングトルクの発生周期の半分となるとともに波高値もほぼ一致する。
【0029】
また、図4に示すように、ロータ1の磁極11は所定角度θSのスキューを付けるようにして形成されている。この角度(以下、スキュー角度ともいう)θSは、着磁傾斜範囲αが前記式1、2を満たすよう設定された条件の下で、トルクリプルを抑制しながらコギングトルクが小さくなるように設定される。具体的には、スキュー角度θSは、360度をステータ2の極数とロータ1の極数の最小公倍数mで除算した角度の1/2(以下、基準角度という)を基準として設定される。より具体的には、スキュー角度θSは、基準角度の±5%を上限および下限とする範囲の角度とされる。ここで、上限および下限を前記の如く設定するのは、磁石上下端での磁束もれ、および磁石自身の磁力分布に起因して高さ方向の平均化する効果であるスキュー着磁効果が大きくなる最適スキュー角度はばらつくので、このばらつきをカバーするためである。なお、この範囲のばらつきは現存する市販磁石すべてに存在する。
【0030】
この場合、磁極11にスキューを付ける代わりに、ステータ2のティース部2cにスキューを付けるようにしてもよい。また、磁極11とティース部2cの両方にスキューを付けるようにしてもよい。
【0031】
図5にモータAの駆動回路の回路図の一例を示す。この駆動回路Bは、いわゆる120度通電によりモータAを駆動する、U、V、W3相のブラシレスモータ駆動回路とされている。
【0032】
このように、実施形態のモータAにおいては、トルクリップルおよびコギングトルクの両方を小さくするようロータ1の磁極11の両端に所定範囲αの着磁傾斜部分Pが設けられるとともに、トルクリップルを抑制しながらコギングトルクを小さくするようにロータ1(永久磁石)に所定角度θSでスキュー着磁が施されるものとされる。
【0033】
これにより、モータAをEPS(electric power assist steering;電動式パワーステアリング)に適用する場合にも、後掲する実施例で示すように、トルクリップルおよびコギングトルクを充分に低減しそれらがハンドルフィーリングに与える影響を排除することが可能となる。
【0034】
すなわち、EPS用モータとしての適用が考えられる従来のブラシレスモータは、一般に、トルクリップルが7%以上、コギングトルクが2%(定格トルクに対する比)以上であるのに対して、実施形態のモータAにおいては、EPSへの適用に充分な1%以下のトルクリップルおよびコギングトルクを容易に達成することができる。
【0035】
したがって、トルクリップルを相殺するための電流波形入力を行う例えばロバスト制御のような特別な制御をモータAの駆動制御に組み込むことなくトルクリップルの影響を緩和できる。(なお、実際にはロバスト制御等によってトルクリップルの影響を充分に排除することは困難である。)
【0036】
また、モータAはブラシレスモータとされるため、EPS用モータとして充分な静粛性を達成することも容易である。
【0037】
【実施例】
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【0038】
図6に、ロータ(磁石)1の内径:Φ32、外径:Φ38、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(θT=20度(degree)、β=2;以下、第1実施例モータという)において、磁極11の着磁傾斜範囲割合R(ここでは、R=2r)を各種値、すなわち0%(参考例1)、25%(比較例1)、50%(比較例2)および75%(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7に、比較例1および実施例1におけるコギングトルク特性を示す。
【0039】
図6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7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。
【0040】
図7に示すように、着磁傾斜範囲割合Rが25%の場合(比較例1)、すなわち着磁傾斜範囲α(ないしはコギングトルク関係数r)が全く適切でない値に設定された場合は、第1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230mN・m程度のコギングトルクが発生する。
【0041】
これに対して、着磁傾斜範囲割合Rが前記不等式2の条件を満たす75%に設定された場合(実施例1)の第1実施例モータでは、着磁傾斜範囲αが適切に設定されているため、コギングトルクが著しく低減されるとともに、波高値もほぼ一致しているのがわかる。
【0042】
したがって、前記不等式2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EPSモータに適用できるほどに抑えることが可能であるといえる。
【0043】
図8に、ロータ(磁石)1の内径:Φ32、外径:Φ38、Nd−Fe−B系のラジアル異方性磁石、とされる12極9スロット型ブラシレスモータ(θT=10度(degree)、β=2;以下、第2実施例モータという)において、磁極11の着磁傾斜範囲αをパラメータとして回転機械角度とコギングトルクとの関係を示す。なお、この第2実施例モータには、スキュー着磁を施されていない。
【0044】
図8において、実施例2は着磁傾斜範囲αが8.0度(着磁傾斜範囲割合R=80.0%、コギングトルク関係数r=40%)とされ、比較例3は着磁傾斜範囲αが7度(着磁傾斜範囲割合R=70.0%、コギングトルク関係数r=35%)とされ、比較例4は着磁傾斜範囲αが11.20度(着磁傾斜範囲割合R=112.0%、コギングトルク関係数r=56.0%)とされ、参考例2は着磁傾斜範囲αが0度(着磁傾斜範囲割合R、コギングトルク関係数rはともに0%)とされている。
【0045】
図8に示すように、第2実施例モータにおいては、着磁傾斜範囲αが大きくなるにつれてコギングトルクの波形が変形し、着磁傾斜範囲αが8.0度とされた実施例2のときに、コギングトルクが最小値をとるとともに、周期が着磁傾斜範囲αが0度とされた参考例2の周期のほぼ半分になり波高値もほぼ一致しているのがわかる。また、前記不等式2の条件を満たさない比較例3および比較例4においてはコギングトルクが増大しているのがわかる。
【0046】
図9に、第2実施例モータのスキュー角度の最大コギングトルクとの関係を示す。
【0047】
図9に示すように、第2実施例モータにおいては、実施例2、比較例3〜比較例4および参考例2のいずれにおいても、360度を極数とスロット数の最小公倍数36で割った角度、つまり10度(理論角度)で最大コギングトルクがゼロとなっているのがわかる。また、実施例2では、理論角度の半分の角度、つまり5度において最大コギングトルクが極小となっているのがわかる。
【0048】
以上、本発明を実施形態および実施例により説明したが、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。
【0049】
例えば、実施例ではブラシレスモータはいわゆる6極9スロット型モータおよび12極9スロット型モータとされているが、本発明の適用は前記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。
【0050】
【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、コギングトルクおよびトルクリプルをEPSモータに適用可能な範囲に低減でき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って、台形波着磁の態様を示す。
【図3】同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】同モータのロータの詳細を示す模式図であって、スキュー着磁の態様を示す。
【図5】本発明のブラシレスモータに適用可能な駆動回路の回路図の一例である。
【図6】6極9スロットル型モータの各例における表面磁束密度分布を示すグラフ図である。
【図7】同コギングトルク特性を示すグラフ図である。
【図8】4極12スロット型モータの各例における回転機械角度とコギングトルクとの関係示すグラフ図である。
【図9】同モータの各例におけるスキュー角度と最大コギングトルクとの関係を示すグラフ図である。
【図10】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
1 ロータ(回転子)
2 ステータ(固定子)
11 磁極
Claims (4)
- 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、
前記永久磁石が台形波着磁により着磁され、前記台形波着磁におけるコギングトルクの発生周期が方形波着磁がなされている永久磁石を用いた場合に生ずるコギングトルクの発生周期のほぼ半分となるようになされてなることを特徴とするブラシレスモータ。 - コギングトルクの波形の波高値が、ほぼ一致するようにして着磁がなされてなることを特徴とする請求項1記載のブラシレスモータ。
- スキュー着磁が併用されてなることを特徴とする請求項1記載のブラシレスモータ。
- スキュー角度が、基準角度に対して±5%の範囲とされてなることを特徴とする請求項3記載のブラシレスモータ。
Priority Applications (4)
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JP2003203071A JP2004242489A (ja) | 2002-12-11 | 2003-07-29 | ブラシレスモータ |
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US10/636,538 US6972503B2 (en) | 2002-08-08 | 2003-08-08 | Brushless motor |
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JP2002359008 | 2002-12-11 | ||
JP2003203071A JP2004242489A (ja) | 2002-12-11 | 2003-07-29 | ブラシレスモータ |
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Cited By (2)
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WO2018207383A1 (ja) * | 2017-05-12 | 2018-11-15 | 山本電気株式会社 | 直流モータ |
JP2019115157A (ja) * | 2017-12-22 | 2019-07-11 | 瀋陽中航機電三洋制冷設備有限公司 | 電動機用ステータ、電動機、及び回転圧縮機 |
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2003
- 2003-07-29 JP JP2003203071A patent/JP2004242489A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2018207383A1 (ja) * | 2017-05-12 | 2018-11-15 | 山本電気株式会社 | 直流モータ |
JP2019115157A (ja) * | 2017-12-22 | 2019-07-11 | 瀋陽中航機電三洋制冷設備有限公司 | 電動機用ステータ、電動機、及び回転圧縮機 |
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