JP2018042350A - ブラシレスモータ - Google Patents
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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。
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。
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。
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、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。
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。
(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。
(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。
・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。
(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)
- 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。 - 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。 - 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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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2020058109A (ja) * | 2018-09-28 | 2020-04-09 | 日本電産トーソク株式会社 | モータユニットおよび電動ポンプ装置 |
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20180501 |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190619 |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200616 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20201222 |