JP2004242489A

JP2004242489A - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JP2004242489A
Application number: JP2003203071A
Authority: JP
Inventors: Takao Yabumi; 崇生藪見
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】ＥＰＳモータに適用できるほどにコギングトルクが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

【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（ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒａｓｓｉｓｔｓｔｅｅｒｉｎｇ；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（Ｄ_１）から他端（Ｄ_２）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θ_Ｔ（＝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×θ_Ｔ（１）
【００２４】
ただし、β：磁石極数ｎ_Ｐとスロット数ｎ_Ｓの最小公倍数Ｍをスロット数ｎ_Ｓの２倍数により除して得られる定数（β：β＝Ｍ／２ｎ_Ｓ）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ｎ_Ｐ、スロット数ｎ_Ｓ、θ_Ｔ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θ_Ｔ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θ_Ｓ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）θ_Ｓ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θ_Ｓ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θ_Ｓ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θ_Ｓ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（ｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒａｓｓｉｓｔｓｔｅｅｒｉｎｇ；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（θ_Ｔ＝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Ｄ_１（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（θ_Ｔ＝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

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。