JP2018042350A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの回転位置を高精度に検出することができるブラシレスモータを提供する。【解決手段】センサマグネット４０は、ＭＲセンサとの対向面４１が両側の極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて凸曲面とし、軸方向の厚さを極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて厚く構成し、周方向に一様な着磁としながらも両側の極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて凸曲線的に磁界強さが強くなる磁気特性を有して構成される。【選択図】図５

Description

本発明は、ブラシレスモータに関するものである。

従来、ロータの回転位置等を検出するための磁気センサを有するブラシレスモータが知られている（例えば特許文献１の第１３図参照）。
このようなブラシレスモータは、ロータと一体回転するセンサマグネットと、回転に伴うセンサマグネットの磁界変化に対応する信号を制御回路に出力する磁気センサとを備え、ロータの回転位置の検出に基づいて回転駆動が行われる。

特開２０１４−８１０５２号公報

ところで、センサマグネットは、例えば周方向において極性が異なるように交互に着磁されており、磁気センサは、回転に伴うセンサマグネットの磁界変化に対応するｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状に近似した信号を制御回路に出力する。制御回路は、磁気センサから出力された信号によってロータの回転位置を検出する。

しかしながら、センサマグネットの周方向の磁界変化が理想的な波状からずれる程、磁気センサから制御回路に出力されるｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状の信号に生じる歪みが大きくなる。この信号の歪みが大きい程、ロータの回転位置の検出精度の低下を招くため、改善が望まれる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ロータの回転位置を高精度に検出することができるブラシレスモータを提供することにある。

上記課題を解決するブラシレスモータは、軸方向に磁化され、周方向で極性が交互に切り替わるように円環状に構成されたセンサマグネットと、前記センサマグネットの軸方向一方側の周面と対向配置され、ロータと一体回転する前記センサマグネットの磁界変化に応じた波状の信号を出力する磁気センサと、を備え、前記磁気センサによる前記ロータの回転位置の検出に基づいて回転駆動が行われるブラシレスモータであって、前記センサマグネットは、両側の極境界部から極中央部にかけて凸曲線的に磁界強さが強くなる磁気特性を有している。

この構成によれば、センサマグネットは、両側の極境界部から極中央部にかけて凸曲線的に磁界強さが強くなる磁気特性を有するため、磁気センサが受けるセンサマグネットの磁界変化は、ｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状に近似する変化となる。これにより、磁気センサでの磁束密度の歪みが低減され（図７参照）、出力する信号の歪みも低減される。その結果、ロータの回転位置を高精度に検出することができる。

上記ブラシレスモータにおいて、前記センサマグネットは、前記磁気センサとの対向面が両側の前記極境界部から前記極中央部にかけて凸曲面をなし、軸方向の厚さを前記極境界部から前記極中央部にかけて厚くして、前記凸曲線的な磁界強さの磁気特性となるように構成されていることが好ましい。

この構成によれば、センサマグネットは、磁気センサとの対向面が両側の極境界部から極中央部にかけて凸曲面とし、軸方向の厚さを極境界部から極中央部にかけて厚くすることで、周方向に一様な着磁としても凸曲線的な磁界強さの磁気特性とすることができる。つまり、センサマグネットに対する着磁が容易な方法にて実現可能である。

上記ブラシレスモータにおいて、前記センサマグネットは、前記磁気センサとの対向面が両側の前記極境界部から前記極中央部にかけて平坦面をなし、軸方向の厚さを前記極境界部から前記極中央部にかけて一定として、前記凸曲線的な磁界強さの磁気特性となるような着磁がなされて構成されていることが好ましい。

この構成によれば、センサマグネットは、磁気センサとの対向面が両側の極境界部から極中央部にかけて平坦面とし、軸方向の厚さを極境界部から極中央部にかけて一定とする一方で、凸曲線的な磁界強さの磁気特性となるような着磁がなされる。つまり、センサマグネットを周方向で一定の厚さの単純な形状にて実現可能である。

本発明のブラシレスモータによれば、ロータの回転位置を高精度に検出することができる。

実施形態のブラシレスモータの断面図。 同形態のブラシレスモータの平面図。 同形態のエンドフレーム及びその周辺部材を取り付けた状態の斜視図。 同形態のエンドフレームから周辺部材を外した状態を示す分解斜視図。 同形態のセンサマグネットの斜視図。 （ａ）は同形態のセンサマグネットの側面側から見た模式図、（ｂ）はセンサマグネットと磁気センサとの距離を示すグラフ、（ｃ）はセンサマグネットの磁界変化を示すグラフ。 センサマグネットの対向面の凹凸比と磁束密度の歪み率との関係を示すグラフ。 別例のセンサマグネットの側面側から見た模式図。

以下、ブラシレスモータの一実施形態について説明する。本実施形態のブラシレスモータは、例えば車両エンジンの燃費向上の一貫として圧縮比を可変とするエンジンの制御用モータとして用いられるものである。

図１に示すように、本実施形態のブラシレスモータ１０のモータケース１１は、略有底筒状に形成されたヨークハウジング１２と、ヨークハウジング１２の開口部を閉塞するエンドフレーム１３と、エンドフレーム１３の開口部１３ａを覆うカバー部材１４とを有する。

ヨークハウジング１２の内周面には、ステータ２０が固定されている。ステータ２０は、径方向内側に延びる複数のティース２１を有するステータコア２２を有する。
図１、図２に示すように、ステータコア２２の各ティース２１は、周方向略等間隔に設けられ、各ティース２１にはインシュレータ２３を介してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線２４が集中巻にて巻回されている。

図１に示すように、ステータ２０の内側には、回転軸２５に固着されて同回転軸２５とともに一体回転するロータ３０が設けられている。回転軸２５は、例えば非磁性部材で構成され、ヨークハウジング１２の底部略中央に設けた軸受収容部１２ａに固定された軸受２６及びエンドフレーム１３の略中央に設けた軸受収容部１３ｂに固定された軸受２７にて、モータケース１１に対して回転可能に支持されている。回転軸２５の先端部には、駆動伝達部材２８が取り付けられる。

図２に示すように、ロータ３０は、ロータコア３１と、ロータコア３１の外周面において周方向に磁極が交互となるように設けられたロータマグネット３２とを有する所謂ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型のロータである。本実施形態のロータマグネット３２は、径方向外側がＮ極となるように着磁されたＮ極マグネット３２ａと、径方向外側がＳ極となるように着磁されたＳ極マグネット３２ｂとが個別に分かれており、それらの各マグネット３２ａ，３２ｂを極性が異なるように周方向に交互に配置して構成される。本実施形態のロータ３０は、磁極が８極（４極対）で構成されている。

図１に示すように、ロータ３０のロータコア３１は、円環板状の第１及び第２コアシート３３，３７をそれぞれ複数有する。
図１及び図２に示すように、第１コアシート３３は、回転軸２５を挿通するための貫通孔３４ａが設けられる第１環状部３４と、第１環状部３４から径方向に延出する複数の延出部３５と、延出部３５の外側に位置する略円環状の第２環状部３６（図１参照）とを有する。第２コアシート３７は、第１コアシート３３の第２環状部３６と略同形状の環状をなすよう構成される。

そして、ロータコア３１は、第１コアシート３３がヨークハウジング１２の底部側（図１において右側）に複数積層され、第２コアシート３７がエンドフレーム１３側（図１において左側）に複数積層されて構成される。このとき、第２コアシート３７は第１コアシート３３の第２環状部３６と略同形状に構成されるため、ロータコア３１において第２コアシート３７を積層することで第２コアシート３７の貫通孔３７ａが連続することによってロータコア３１に凹部３１ａが形成される。

凹部３１ａ内には、エンドフレーム１３の軸受収容部１３ｂの一部が軸受２７の一部とともに配置される。これにより、凹部３１ａを設けない場合と比較して、軸受２７及び軸受収容部１３ｂが軸方向においてロータ３０側（ヨークハウジング１２の底部側）にオフセットされることとなる。

また、ロータコア３１における第２コアシート３７側（図１において左側でエンドフレーム１３側）の軸方向端面には、マグネット固定部材３８を介してセンサマグネット４０が固定されている。なお、本実施形態では、センサマグネット４０が固着されるマグネット固定部材３８は、ロータコア３１の第１及び第２コアシート３３，３７とともにそれぞれに設けられた貫通孔にカシメピン３９を挿入してかしめることによって、ロータコア３１に一体的に組み付けられている。

図５に示すように、円環状をなすセンサマグネット４０は、軸方向に磁化され、Ｎ極・Ｓ極が周方向に交互に構成されている。ここで、極性が周方向に切り替わる部分を極境界部４０ａとし、極境界部４０ａ間の中間に位置するＮ極又はＳ極の中央部分を極中央部４０ｂとする。なお、本実施形態のセンサマグネット４０は、ロータマグネット３２と同様、磁極が８極（４極対）で構成されている。

また、図６（ａ）に示すように、センサマグネット４０の軸方向一方側（エンドフレーム１３側）の周面、すなわち後述のＭＲセンサ６２との対向面４１は、両側の極境界部４０ａから極中央部４０ｂに向けて凸曲面となるように構成されている。センサマグネット４０は、軸方向の厚さが極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて次第に厚くなるように形成されている。

なお、センサマグネット４０の極中央部４０ｂの厚さをＨ１、極境界部４０ａの厚さをＨ２とすると、本実施形態のセンサマグネット４０は、極境界部４０ａの厚さＨ２が極中央部４０ｂの厚さＨ１の例えば８５％に設定されている。また、本実施形態のセンサマグネット４０は、対向面４１を凹凸形状とする一方で、極境界部４０ａ及び極中央部４０ｂといった周方向位置に関係なく一様な着磁がなされている。

このようなセンサマグネット４０は、ロータマグネット３２に対して電気角で９０度周方向にずれるようになっている（図２参照）。なお、上述したように、センサマグネット４０及びロータマグネット３２の極数は８極であるため、センサマグネット４０とロータマグネット３２とは機械角で２２．５度周方向にずれるようになっている。

次に、エンドフレーム１３及びこの周囲の詳細構成を説明する。
図３及び図４に示すように、本実施形態のモータ１０のエンドフレーム１３には、上記センサマグネット４０と軸方向において対向するようにＭＲセンサ６２を有する回路基板６０が取り付けられるとともに、ステータ２０及び回路基板６０に電力を供給するためのコネクタ７０が取り付けられている。

図３に示すように、回路基板６０は、エンドフレーム１３及び回路基板６０のそれぞれに形成された取付孔５１，６１にねじ８０を螺入することによって、エンドフレーム１３の内側面（センサマグネット４０との対向面）に取り付けられている。図１及び図３に示すように、回路基板６０には、複数（本実施形態では３つ）のＭＲセンサ６２が設けられている。

ＭＲセンサ６２は、磁気抵抗効果素子を用いたセンサであり、磁界変化（磁束量変化）に応じて出力する信号が異なるようになっている。本実施形態では、センサマグネット４０が周方向において極性が異なるように交互に着磁されているため、ＭＲセンサ６２からは波状の信号を出力する。

ここで、本実施形態のセンサマグネット４０は、図６（ａ）を用い上記したように、極境界部４０ａから極中央部４０ｂに向けて次第に凸の湾曲面をなしている。すなわち、ＭＲセンサ６２は、センサマグネット４０の極中央部４０ｂと近接、極境界部４０ａと離間し、センサマグネット４０の対向面４１の湾曲形状に倣った図６（ｂ）に示すような曲線的な間隔変化となり、ＭＲセンサ６２が受けるセンサマグネット４０の磁界変化は、図６（ｃ）に示すようなｓｉｎ波状（又はｃｏｓ波状）に近似する。

また、図７から明らかなように、ＭＲセンサ６２が検出する軸方向の磁束密度の高調波成分は、対向面４１が一平面のもの（Ｈ２／Ｈ１の比率が１００％）の場合と比較して、湾曲形状の対向面４１とした本実施形態のセンサマグネット４０では、磁束密度の歪み率が小さく抑えられる。このため、ＭＲセンサ６２が制御回路に出力する信号の歪みも低減され、ＭＲセンサ６２からの出力信号は、ｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状に近似する信号となっている。

なお、図７に示すように、極境界部４０ａの厚さＨ２と極中央部４０ｂの厚さＨ１との比率（凹凸比率）Ｈ２／Ｈ１は、その比率を小さくする程、すなわち極中央部４０ｂと極境界部４０ａとの差を相対的に大きくする程、ＭＲセンサ６２が検出する磁束密度の歪み率は小さくなる。センサマグネット４０の構造（強度）や発現する磁界強さ、製造し易さ等を考慮して、センサマグネット４０の極境界部４０ａの厚さＨ２と極中央部４０ｂの厚さＨ１との比率Ｈ２／Ｈ１は決定される。

そして、ＭＲセンサ６２からの出力信号は、回路基板６０上に設けられた制御回路（図示略）に出力される。制御回路は、ＭＲセンサ６２から出力された信号によって、ブラシレスモータ１０の回転駆動を行うためのロータ３０の回転位置を検出する。ＭＲセンサ６２からの出力信号はｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状に近似する信号となっていることから、制御回路はロータ３０の回転位置を精度良く検出することが可能である。なお、本実施形態では、磁気センサとしてＭＲセンサ６２を採用しているが、リニアホールＩＣを用いることもできる。

また、回路基板６０には、後述のコネクタ７０の信号用ターミナル７３が嵌挿される複数（本実施形態では５つ）のスルーホール６３が１列に形成されている。スルーホール６３の列の両端には、コネクタ７０（信号用ターミナル７３）に対して回路基板６０を位置決めする位置決め孔６４が形成されている。

図１に示すように、コネクタ７０は、エンドフレーム１３の外側面（回路基板６０を取り付ける面とは反対側面）に取り付けられている。コネクタ７０は、モータ１０の外部に露出するコネクタ部７０ａと、コネクタ部７０ａから内側に延出する内側延出部７０ｂと、コネクタ部７０ａ及び内側延出部７０ｂに跨って配置されるターミナル７１とを有する。コネクタ部７０ａには、図示しない給電用の外部コネクタが接続される。

ターミナル７１は、ステータ２０の巻線２４に外部から電力供給を行うための給電用ターミナル７２と、回路基板６０と外部との間で信号の授受を行うための信号用ターミナル７３とを備える。本実施形態では、給電用ターミナル７２は３本、信号用ターミナル７３は５本設けられている。

給電用ターミナル７２の先端部は、巻線２４の端末部と接続するための接続部７２ａを有している。この給電用ターミナル７２の接続部７２ａと対応するエンドフレーム１３の部位には、接続部７２ａをエンドフレーム１３より軸方向内側（巻線２４側）に臨ませる第１貫通孔５２が形成されている。

信号用ターミナル７３は、コネクタ部７０ａ及び内側延出部７０ｂに沿うように配置されている。信号用ターミナル７３の内側延出部７０ｂ側の先端部７３ａは、軸方向（エンドフレーム１３側）に屈曲されるとともに、１列に配列されている。この信号用ターミナル７３の先端部７３ａと対応するエンドフレーム１３の部位には、先端部７３ａをエンドフレーム１３より軸方向内側（回路基板６０側）に臨ませる第２貫通孔５３が形成されている。

また、内側延出部７０ｂの先端部における信号用ターミナル７３の列の両端には、エンドフレーム１３及び回路基板６０に対してコネクタ７０を位置決めする位置決めピン７４が、信号用ターミナル７３の先端部７３ａの屈曲方向と同方向に延出している。この位置決めピン７４と対応するエンドフレーム１３の部位には位置決め孔５４が形成され、更に回路基板６０には位置決め孔６４が形成されている。

そして、エンドフレーム１３を介在しての回路基板６０とコネクタ７０との位置決めは、コネクタ７０の位置決めピン７４をエンドフレーム１３の位置決め孔５４に嵌挿させ、回路基板６０の位置決め孔６４に嵌挿させることで行われる。このコネクタ７０と回路基板６０との位置決めにより、コネクタ７０の信号用ターミナル７３は、エンドフレーム１３の第２貫通孔５３を介して、回路基板６０のスルーホール６３にスムーズに嵌挿される。

また、コネクタ７０がエンドフレーム１３に取り付けられると、エンドフレーム１３の第１貫通孔５２内にステータ２０の巻線２４の端末部が位置し、巻線２４の端末部と給電用ターミナル７２の接続部７２ａとの接続が図られる。そして、エンドフレーム１３には、第１及び第２貫通孔５２，５３とコネクタ７０の内側延出部７０ｂとを覆うように、カバー部材１４が取着されている。このようにエンドフレーム１３周りが構成されている。

次に、本実施形態の効果を記載する。
（１）センサマグネット４０は、ＭＲセンサ６２との対向面４１が両側の極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて凸曲面をなし、軸方向の厚さが極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて厚く構成される。つまり、センサマグネット４０は、周方向に一様な着磁としながらも、両側の極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて凸曲線的に磁界強さが強くなる磁気特性を有する。そのため、ＭＲセンサ６２が受けるセンサマグネット４０の磁界変化はｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状に近似する変化となり、ＭＲセンサ６２での磁束密度の歪みは低減される（図７参照）。その結果、制御回路に出力するＭＲセンサ６２からのｓｉｎ波状又はｃｏｓ波状の信号の歪みも低減され、ロータ３０の回転位置を高精度に検出することができる。

（２）センサマグネット４０の対向面４１を凸曲面に形成するといった容易な方法で、ＭＲセンサ６２が出力する信号の歪みを低減することができる。
（３）コネクタ７０（内側延出部７０ｂ）に形成された位置決めピン７４及び回路基板６０に形成された位置決め孔６４によって、コネクタ７０と回路基板６０とが位置決めされるため、コネクタ７０の信号用ターミナル７３（先端部７３ａ）と回路基板６０のスルーホール６３との位置精度が向上する。これにより、信号用ターミナル７３の先端部７３ａをスルーホール６３に容易に嵌挿させることができる。

（４）エンドフレーム１３に形成された位置決め孔５４にコネクタ７０（内側延出部７０ｂ）の位置決めピン７４が嵌挿され、その位置決めピン７４が回路基板６０の位置決め孔６４に嵌挿されることによって、エンドフレーム１３と回路基板６０のＭＲセンサ６２とが位置決めされる。これにより、ＭＲセンサ６２によるロータ３０の回転位置の検出精度向上に寄与することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、センサマグネット４０において極境界部４０ａの厚さＨ２と極中央部４０ｂの厚さＨ１との比率Ｈ２／Ｈ１を８５％に設定したが、比率Ｈ２／Ｈ１はこれ限定されず、適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、センサマグネット４０は、ＭＲセンサ６２との対向面４１を凸曲面とする等して、両側の極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて凸曲線的に磁界強さが強くなる磁気特性としていた。これに対し、例えば図８に示すように、ＭＲセンサ６２との対向面４１を平坦面とし、軸方向の厚さが周方向に一定のセンサマグネット４５に対して、極境界部４０ａから極中央部４０ｂにかけて凸曲線的な磁界強さの磁気特性となるような着磁がなされる。このようにしても上記実施形態と同様に、ＭＲセンサ６２が出力する信号の歪みを低減することができ、ロータ３０の回転位置の検出精度向上が図れる。またこの態様では、センサマグネット４５を周方向で一定の厚さの単純な形状にて実現可能である。

・上記実施形態では、センサマグネット４０の極数は８極（４極対）であったが、その極数は適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、ＭＲセンサ６２（磁気センサ）を３個設ける構成としたが、その数は適宜変更してもよい。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想を以下に追記する。
（イ）ロータ及びステータを収容する有底筒状のヨークハウジングと、前記ヨークハウジングの開口部を覆うエンドフレームと、前記ロータと一体回転するセンサマグネットの磁界変化に応じて信号を出力する磁気センサを有する回路基板と、前記ステータの巻線及び前記回路基板と電気的に接続されるターミナルを有するコネクタとを備え、前記回路基板及び前記コネクタには、互いに位置決めする位置決め部が設けられていることを特徴とするブラシレスモータ。

（ロ）上記（イ）に記載のブラシレスモータにおいて、前記位置決め部は、前記エンドフレームに対しても前記回路基板の位置決めを図るものであることを特徴とするブラシレスモータ。

３０…ロータ、４０，４５…センサマグネット、４０ａ…極境界部、４０ｂ…極中央部、４１…対向面、６２…ＭＲセンサ（磁気センサ）。

Claims (3)

1. 軸方向に磁化され、周方向で極性が交互に切り替わるように円環状に構成されたセンサマグネットと、
   前記センサマグネットの軸方向一方側の周面と対向配置され、ロータと一体回転する前記センサマグネットの磁界変化に応じた波状の信号を出力する磁気センサと、を備え、
   前記磁気センサによる前記ロータの回転位置の検出に基づいて回転駆動が行われるブラシレスモータであって、
   前記センサマグネットは、両側の極境界部から極中央部にかけて凸曲線的に磁界強さが強くなる磁気特性を有していることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記センサマグネットは、前記磁気センサとの対向面が両側の前記極境界部から前記極中央部にかけて凸曲面をなし、軸方向の厚さを前記極境界部から前記極中央部にかけて厚くして、前記凸曲線的な磁界強さの磁気特性となるように構成されていることを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記センサマグネットは、前記磁気センサとの対向面が両側の前記極境界部から前記極中央部にかけて平坦面をなし、軸方向の厚さを前記極境界部から前記極中央部にかけて一定として、前記凸曲線的な磁界強さの磁気特性となるような着磁がなされて構成されていることを特徴とするブラシレスモータ。

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