JP2019213417A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】スキュー構造を備えた極数とスロット数の最小公倍数の小さい仕様のモータのスラスト電磁力やその変動を低減させることにある。【解決手段】ブラシレスモータ２は４極６スロット構成となっており、ステータ１１と、スキュー構造を備えたロータ１２を有している。マグネット１９の軸方向両端部には、第１及び第２オーバーハング部３１,３２が設けられている。各オーバーハング部３１,３２は、ステータコア１４の軸方向端部からのオーバーハング量ＯＨ１,ＯＨ２が異なっている。マグネット１９には希土類磁石が使用され、その磁気配向は極配向となっている。スキュー角θを３０°〜５０°（電気角）に設定すると共に、オーバーハング量の比ＯＨ２／ＯＨ１を１.５〜２.５に設定する。【選択図】図５

Description

本発明は、ブラシレスモータに発生するスラスト方向の電磁力の低減に関し、特に、スキュー構造を備えたブラシレスモータにおけるスラスト方向の電磁力低減技術に関する。

従来より、ブラシレスモータ（以下、モータと略記する）のトルクリップルやコギングを低減する手段として、磁極の極性が切り替わる位置（磁極境界位置）を、軸方向に沿って回転方向にずらす、いわゆるスキュー構造が知られている。ところが、スキュー構造のモータは、トルクリップル等の低減が図られる一方、磁極境界位置の傾斜に伴い、磁気的な吸引反発による回転力と共に、その軸方向成分によってスラスト方向に力（回転軸延伸方向に沿った力：スラスト電磁力）が発生する。

特開２００９−２１３２８２号公報

このようなスラスト電磁力がモータ内に生じると、その増減（リップル）により、スラスト方向に振動が生じる。その結果、例えば、ギヤ変速機構を備えたモータでは、スラスト振動によってギヤの噛み合い状態が不連続となり、これが音や振動の発生原因となる、という課題があった。特に、このようなスラスト電磁力やそのリップルは、磁極数の少ないモータにおいて顕著となり、さらに、磁力の大きい希土類元素を用いた磁石（以下、希土類磁石と称する）を用いるとそれがさらに増大する、という問題があった。

図１０（ａ）は、磁極の傾き角と磁極数の関係を示す説明図、同図（ｂ）は、磁極数とスラスト電磁力のＰ−Ｐ（peak‐to‐peak）値との関係を示す説明図である。図１０（ａ）から分かるように、磁極の傾き角θｍは、マグネット外径をＤｍ、スキュー角をθｓ（機械角）、マグネット軸方向長をＬｍとすると、
θｍ＝tan^-1[{Ｄｍ×π×(θｓ／360）}／Ｌｍ]
にて表すことができる。この場合、機械角のスキュー角θｓは、電気角のスキュー角を一定にした場合、磁極数が増加するに従い小さくなる。

したがって、２極３スロット（２Ｐ３Ｓ）×ｎ（整数）仕様のモータにて、スキュー角（電気角）を一定にすると、（ア）４極（６スロット：４Ｐ６Ｓ）、（イ）６極（９スロット：６Ｐ９Ｓ）、（ウ）８極（１２スロット：８Ｐ１２Ｓ）の各仕様のモータでは、スキュー角θｓ（機械角）は、極数とスロット数の最小公倍数（ア：１２，イ：１８，ウ：２４）が小さくなるにつれて大きくなり、θｍもまた大きくなる。そして、スラスト電磁力は、スキューにて生じる回転方向の力の軸方向成分であることから、磁極の傾き角θｍが大きいと大きくなる。このため、図１０（ｂ）に示すように、４極仕様と８極仕様のモータでは、スラスト電磁力のＰ−Ｐ値に約５倍もの違いが生じ、極数とスロット数の最小公倍数が小さい仕様ほどスラスト電磁力のリップルが大きくなる。

また、磁極用のマグネットとして、磁束密度の大きい希土類磁石を用いると、フェライト磁石等の非希土類元素を用いた磁石（以下、非希土類磁石と称する）を用いた場合に比して、磁気吸引と反発が強まる。このため、希土類磁石の使用により、モータの小型化、高出力化が図られるものの、スラスト電磁力がさらに大きくなり、そのリップルも大きくなってしまうという問題が生じる。図１１（ａ）は、希土類磁石を用いた場合と非希土類磁石を用いた場合のスラスト電磁力の大きさを示した説明図、同図（ｂ）は、回転角（機械角）とスラスト電磁力の関係を示す説明図である。図１１から分かるように、希土類磁石は非希土類磁石に比べて、スラスト電磁力が約３.５倍程度大きく、しかもその変動も大きい。このため、希土類磁石を用いたモータは、スラスト振動も大きくなり、音や振動が発生し易くなる。

本発明の目的は、スキュー構造を備えたブラシレスモータのスラスト電磁力、特に、極数とスロット数の最小公倍数の小さい仕様のモータのスラスト電磁力やそのリップルを低減させることにある。

本発明のブラシレスモータは、径方向内側に向かって延びるティースが周方向に沿って６個形成されたステータコアと、前記ティースに巻装され隣接する前記ティース間に形成されるスロットに収容される巻線と、を備えるステータと、前記ステータの径方向内側に回転自在に配置され、周方向に沿って４個の磁極が形成されたマグネットを備えるロータと、を有するブラシレスモータであって、前記マグネットは、希土類磁石を用いたリングマグネットにて形成され、前記リングマグネットは、磁極の切り替わり位置が軸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有すると共に、その軸方向両端部に、前記ステータコアの軸方向端部のそれぞれから軸方向に延出された第１オーバーハング部と第２オーバーハング部を有し、前記スキュー構造は、スキュー角が電気角３０°〜５０°に設定され、前記第１及び第２オーバーハング部は、前記ステータコアの軸方向端部に対するそれぞれの延出量を互いに異にすることを特徴とする。

本発明にあっては、４極６スロット構成のモータにおいて、スキュー角を電気角３０°〜５０°に設定しつつ、マグネットの軸方向両端部のそれぞれに、ステータコアの軸方向端部から軸方向に延出したオーバーハング部を設けることにより、スキュー構造によって生じるスラスト電磁力を低減することができ、希土類磁石を用いた場合でも、スラスト電磁力を抑制することが可能となる。その結果、スキュー構造によってトルクリップルやコギングの発生を抑えつつ、スラスト電磁力やそのリップルの低減も図られる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記リングマグネットとして、外周面のみに磁極が形成されるように着磁された極配向の磁気配向を有するマグネットを用いても良い。これにより、スラスト電磁力のリップルをさらに抑制することが可能となる。

また、前記リングマグネットの一端側に形成された第１オーバーハング部の延出量ＯＨ１と、前記リングマグネットの他端側に形成された第２オーバーハング部の延出量ＯＨ２との比ＯＨ２／ＯＨ１を１.５〜２.５に設定しても良い。これにより、スラスト電磁力のリップルを効果的に抑制することが可能となる。

本発明のブラシレスモータによれば、４極６スロット構成のブラシレスモータにおいて、スキュー角を電気角３０°〜５０°に設定しつつ、マグネットの軸方向両端部のそれぞれに、ステータコアの軸方向端部から軸方向に延出したオーバーハング部を設けたので、スキュー構造によって生じるスラスト電磁力やそのＰ−Ｐ値を低減することができる。このため、希土類磁石を用いたブラシレスモータにおいても、スラスト電磁力やそのリップルを抑制することが可能となる。

本発明の一実施の形態であるモータユニットの構成を示す断面図である。 図１のモータユニットに使用されているブラシレスモータの構成を示す断面図である。 マグネットの着磁形態を示す説明図である。 マグネットのスキュー構造を示す説明図である。 ロータとステータの関係を示す説明図である。 ４極６スロット構成のモータにおけるスキュー角θ（電気角）とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図である。 ４極６スロット構成のモータにおけるオーバーハング量の比とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図である。 マグネットの磁気配向とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図である。 極配向、スキュー角４０°、オーバーハング量の比＝２とした場合におけるロータ回転角とスラスト電磁力との関係を示す説明図である。 （ａ）は、磁極の傾き角と磁極数の関係を示す説明図、（ｂ）は、磁極数とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図である。 （ａ）は、希土類磁石を用いた場合と非希土類磁石を用いた場合のスラスト電磁力の大きさを示した説明図、（ｂ）は、回転角（機械角）とスラスト電磁力の関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるブラシレスモータを用いたモータユニット１の構成を示す断面図、図２は、図１のモータユニットに使用されているブラシレスモータの構成を示す断面図である。図１のモータユニット１は、ブラシレスモータ２（以下、モータ２と略記する）と、減速機構部（変速機構）３とから構成されており、例えば、自動車のサンルーフやワイパ装置、パワーウインド、パワーシートなどの駆動源として使用される。モータユニット１では、モータ２の回転軸４の回転は減速機構部３内にて変速され、出力軸５からユニット外に出力される。

モータ２はブラシレスモータであり、図１,２に示すように、ステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置されたロータ１２とから構成されている。ステータ１１は、有底筒状のモータハウジング１３と、モータハウジング１３の内面に固定されたステータコア１４を備えている。ステータコア１４は、磁性体にて形成されたプレートを複数枚積層して形成され、外形が六角形のヨーク部１５と、ヨーク部１５から径方向内側（中心方向）に向かって放射状に突設されたティース１６とから構成されている。モータ２では、ティース１６は周方向に沿って６個設けられている。隣接するティース１６の間はスロット１７となっている。ティース１６の外周には巻線１８が巻装されており、巻線１８はスロット１７内に収容されている。巻線１８は、集中巻きにて巻装されており、３相の巻線がΔ結線にて接続されている。

ステータ１１の内側にはロータ１２が挿入されている。ロータ１２は、回転軸４と、回転軸４に固定されたマグネット１９とを備えており、回転軸４の一端側（モータ側の一端）は、モータハウジング１３の端部に配された軸受２１によって回転自在に支持されている。マグネット１９は、４極に着磁されており、モータ２は、４極６スロット（４Ｐ６Ｓ）構成のブラシレスモータとなっている。ここでは、マグネット１９として、ネオジウムや、ジスプロシウム、サマリウムなどの希土類元素を用いた永久磁石（希土類磁石）が用いられている。マグネット外周面１９ａは、ティース１６の先端面１６ａに対向するように配されており、当該モータ２は、ＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）型の構成となっている。

マグネット１９には、周方向に沿って極性が異なるように着磁された極異方性のリングマグネットが使用されている。図３は、マグネットの着磁形態を示す説明図である。図３（ａ）に示すように、マグネット１９は、マグネット外周面１９ａのみに磁極Ｎ,Ｓが形成される極配向マグネットとなっている。すなわち、図３（ｂ）のような、磁界の方向が放射状となるラジアル配向のマグネット４１とは異なり、マグネット１９では、ステータ１１と対向するマグネット外周面１９ａのみに磁極が形成されている。

また、モータ２では、マグネット１９の磁極境界線Ｐが、軸方向に沿って径方向にずれるスキュー着磁がなされている。図４は、マグネット１９におけるスキュー構造を示す説明図である。図４に示すように、マグネット１９では、磁極境界線Ｐが軸方向に沿って傾斜しており、磁極境界線Ｐの始点Ｑ１と終点Ｑ２の間の角度θがスキュー角となっている。モータ２では、スキュー角θは、３０°〜５０°（電気角）の範囲に設定されている。なお、点Ｑ１と点Ｑ２は、何れが始点でも終点でも良い。

減速機構部３は、回転軸４に形成されたウォーム６と、ウォーム（駆動ギヤ）５と噛合するウォームホイール（被動ギヤ）６とから構成されており、合成樹脂やアルミダイカストにて形成されたギヤケース２２内に配されている。図１に示すように、ギヤケース２２には、モータハウジング１３の一端開口側が固定されている。モータ２の回転軸４はギヤケース２２内に延伸しており、回転軸４は、ギヤケース２２内に設けられたベアリング２３と軸受２４によって回転自在に支持されている。ウォームホイール７は出力軸５に固定されており、出力軸５は、ウォームホイール７と共に回転する。

ここで、本発明によるモータ２では、ロータ１２側のマグネット１９の軸方向長Ｌｍが、ステータ１１側のステータコア１４の軸方向長Ｌｃよりも長くなっている。図５は、ロータ１２とステータ１１の関係を示す説明図である。図５に示すように、マグネット１９の軸方向両端部には、ステータコア１４と対向することなく軸方向に延出されたオーバーハング部（第１オーバーハング部３１，第２オーバーハング部３２）がそれぞれ設けられている。

モータ２においては、一端側の第１オーバーハング部３１と他端側の第２オーバーハング部３２のオーバーハング量（延出量）ＯＨ１,ＯＨ２が異なっている。すなわち、第１及び第２オーバーハング部３１,３２は、軸方向に非対称に設けられている。また、第２オーバーハング部３２のオーバーハング量ＯＨ２は、第１オーバーハング部３１のオーバーハング量ＯＨ１よりも大きくなっており（ＯＨ１＜ＯＨ２）、ＯＨ２はＯＨ１の１.５〜２.５倍の大きさとなっている（ＯＨ２／ＯＨ１＝１.５〜２.５）。

このような構成を有するモータ２では、スキュー構造を採用しつつ、非対称の第１及び第２オーバーハング部３１,３２を設定することにより、スラスト電磁力やそのＰ−Ｐ値を低減することができる。したがって、Ｐ−Ｐ値に起因するスラスト電磁力のリップルもまた低減される。これは、オーバーハング部なし（かつ、スキューなし）の場合、スラスト電磁力がほぼ０であるのに対し、非対称なオーバーハング部を設けると、常に一定方向に一定のスラスト電磁力が発生し、これにより、スキューによって生じるスラスト電磁力が相殺されるためと考えられる。

図６は、４極６スロット構成のモータ２におけるスキュー角θ（電気角）とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図、図７は、同モータにおけるオーバーハング量の比（ＯＨ２／ＯＨ１）とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図である。図６に示すように、発明者らの解析によれば、４Ｐ６Ｓ構成のモータにおけるスラスト電磁力のＰ−Ｐ値は、スキュー角θが４０°のとき極小値を取ることが分かった。また、オーバーハング量の比との関係では、図７に示すように、スラスト電磁力のＰ−Ｐ値は、オーバーハング量の比が２（ＯＨ２／ＯＨ１＝２）のとき極小値を取ることも分かった。

一方、第１及び第２オーバーハング部３１,３２を設定した場合におけるスラスト電磁力のＰ−Ｐ値について、マグネット１９の磁気配向との関係を調べると、マグネット１９を極配向とした方が、ラジアル配向の場合よりもスラスト電磁力が低くなることが分かった。図８は、マグネットの磁気配向とスラスト電磁力のＰ−Ｐ値との関係を示す説明図である。発明者らの解析によれば、マグネット１９を極配向とすることにより、ラジアル配向に比して、スラスト電磁力のＰ−Ｐ値をほぼ半分に抑えられることが分かった。

ここで、スキューにより発生するスラスト電磁力は、前述のように、回転方向の電磁力（トルク）がスキューによってスラスト方向の力に変換されることにより生じる。したがって、トルクのリップルが小さければ、スラスト電磁力のリップルもまた小さくなる。そこで、モータのトルクリップルを考えると、トルクリップルの大きさは「ラジアル配向マグネット＞極配向マグネット」となる。このため、スラスト電磁力のリップルの大きさ（Ｐ−Ｐ値）もまた、図８に示すように、「ラジアル配向＞極配向」となるものと推察される。

図９は、極配向、スキュー角４０°、オーバーハング量の比ＯＨ２／ＯＨ１＝２とした場合におけるロータ回転角とスラスト電磁力との関係を示す説明図である。図９において、破線は、オーバーハング部のみによって生じるスラスト電磁力だけを抽出したもの、一点鎖線は、マグネット１９とステータ１１が対向している部分（非オーバーハング部）のみによって生じるスラスト電磁力だけを抽出したものである（縦軸は右側スケール）。また、実線は、前記両者を合成したものであり、本発明によるモータのスラスト電磁力を示している（縦軸は左側スケール）。

図９に示すように、破線と一点鎖線で示されたスラスト電磁力は、概ね逆位相となっており、これらを合成した実線のスラスト電磁力は、両者が相殺し合って小さく、回転変動も少なくなっている。この図９のように、合成スラスト電磁力を小さく、変動も少なく抑えるには、破線と一点鎖線の相殺バランスを微妙に調整する必要があり、前述のような各要素の解析結果に基づき、図９のようなバランスの良い結果を得ることができた。

そこで、これらの結果より、希土類磁石を用いた４極６スロット構成のモータでは、
（１）マグネットを極配向とし、
（２）スキュー角θを３０°〜５０°（電気角）、好ましくは４０°に設定し、
（３）非対称のオーバーハング部を設けると共に、各オーバーハング量の比を１.５〜２.５、好ましくは２に設定する、
ことにより、スラスト電磁力やそのＰ−Ｐ値を低減させることが可能となることが分かった。

したがって、上述の（１）〜（３）の構成を採用することにより、４極６スロット構成のモータにおいて、スキュー構造によって生じるスラスト電磁力やそのＰ−Ｐ値を低減することができ、希土類磁石を用いた場合でも、スラスト電磁力やそのＰ−Ｐ値を抑制することが可能となる。その結果、スキュー構造によってトルクリップルやコギングの発生を抑えつつ、スラスト電磁力の低減を図ることが可能になる。また、スラスト電磁力のＰ−Ｐ値も低減されることから、スラスト電磁力の変動（リップル）が抑えられ、ロータのスラスト位置を安定させることができる。これにより、例えば、ウォーム等の減速機構における歯の噛み合い不連続などから生じる音や振動を抑えることができ、モータの音や振動を抑制することが可能となる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、マグネット１９に極異方性のマグネットを用いた例を示したが、マグネット１９として極等方性のマグネットを使用し、該マグネットをその外周面のみに磁極が形成されるように着磁した極配向マグネットとしても良い。また、前述の実施形態では、マグネット１９が回転軸４に固定されている形態のブラシレスモータを示したが、本発明は、回転軸にマグネットが直接固定されている形態のみならず、ロータコア等を介して回転軸にマグネットを取り付ける形態のブラシレスモータにも適用可能である。さらに、モータ２では、マグネット１９をステータコア１４に直接対向させるＳＰＭ構成としたが、ロータ側に鋼製のロータコアを設け、その内側にマグネットを埋設したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構成のモータにも本発明は適用可能である。

なお、本発明において、マグネットが「回転軸に固定」されている、とは、回転軸に直接マグネットが固定されている形態のみならず、回転軸に取り付けたロータコア等の内部あるいは外周部など、ロータコア等を介して回転軸にマグネットを固定する形態も含んだ意味である。

本発明によるブラシレスモータは、自動車の車載モータのみならず、家電製品や産業機械等に使用される電動モータにも広く適用可能である。

１ モータユニット
２ ブラシレスモータ
３ 減速機構部
４ 回転軸
５ 出力軸
６ ウォーム
７ ウォームホイール
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ モータハウジング
１４ ステータコア
１５ ヨーク部
１６ ティース
１６ａ 先端面
１７ スロット
１８ 巻線
１９ マグネット
１９ａ マグネット外周面
２１ 軸受
２２ ギヤケース
２３ ベアリング
２４ 軸受
３１ 第１オーバーハング部
３２ 第２オーバーハング部
４１ マグネット
Ｌｃ ステータコア軸方向長
Ｌｍ マグネット軸方向長
θｍ 磁極境界線傾き角
θｓ スキュー角
ＯＨ１ 第１オーバーハング部オーバーハング量
ＯＨ２ 第２オーバーハング部オーバーハング量
Ｐ 磁極境界線
Ｑ１ 磁極境界線の始点
Ｑ２ 磁極境界線の終点
Ｘ スラスト方向

Claims (3)

1. 径方向内側に向かって延びるティースが周方向に沿って６個形成されたステータコアと、前記ティースに巻装され隣接する前記ティース間に形成されるスロットに収容される巻線と、を備えるステータと、
   前記ステータの径方向内側に回転自在に配置され、周方向に沿って４個の磁極が形成されたマグネットを備えるロータと、を有するブラシレスモータであって、
   前記マグネットは、希土類磁石を用いたリングマグネットにて形成され、
   前記リングマグネットは、磁極の切り替わり位置が軸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有すると共に、その軸方向両端部に、前記ステータコアの軸方向端部のそれぞれから軸方向に延出された第１オーバーハング部と第２オーバーハング部を有し、
   前記スキュー構造は、スキュー角が電気角３０°〜５０°に設定され、
   前記第１及び第２オーバーハング部は、前記ステータコアの軸方向端部に対するそれぞれの延出量を互いに異にすることを特徴とするブラシレスモータ。
2. 請求項１記載のブラシレスモータにおいて、
   前記リングマグネットは、外周面のみに磁極が形成されるように着磁された極配向の磁気配向を有することを特徴とするブラシレスモータ。
3. 請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、
   前記リングマグネットの一端側に形成された第１オーバーハング部の延出量ＯＨ１と、前記リングマグネットの他端側に形成された第２オーバーハング部の延出量ＯＨ２との比ＯＨ２／ＯＨ１が１.５〜２.５に設定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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