JP5306808B2 - 車載機器用モータ駆動制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、モータ及びその駆動制御装置に関するものである。

従来のモータ駆動時における異音対策技術として、例えば特許文献１に開示されるものがある。特許文献１は、ＤＣ（直流）モータの回転子が駆動時に軸方向に移動する際に、回転子軸に取り付けられた部材が軸受に衝突することにより発生する異音を低減するものである。

この特許文献１に開示されるモータでは、中空筒状のクッション部の中央にボス部を設け、ボス部の中心穴を通じて回転子軸を突出させている。このクッション部により、回転子の軸方向の移動に伴ってモータケーシングの軸受とボス部とが衝突してもその衝撃が緩和される。

また、特許文献２は、複数極の永久磁石を有する回転子とその回転により得られる位置検出信号に基づいて通電する固定子巻線を順次切り換え、回転磁界を発生させるＤＣブラシレスモータに関する。この特許文献２では、回転子の共振を避けた周波数で通電制御することにより上記通電による運転で発生する振動と騒音を低減することができる。

特開２０００−３２７０６号公報 特開平１１−１１３２８１号公報

従来のＤＣモータにおいて、回転子側と固定子側とで磁極数が一致しない構成であって、例えば回転子側が８つの磁極を有し、固定子側が９つの通電コイルを有する組み合わせ（回転子８極−固定子９極）では、通電コイルの通電時に発生する磁界により、回転子を径方向に引き付ける力が不均等に発生する。このため、回転子が径方向に振れる。その一方、回転子８極−固定子９極の構造のモータは、高出力化が可能であり、製造が容易で比較的使いやすい。

また、回転子の両端をベアリングで保持する構造において、部品の寸法ばらつきに対応するため、ベアリングと固定子側又は回転子側との間に径方向の隙間が設けられる。この隙間があると、例えば車両用モータのような高出力のＤＣモータに負荷がかかっても、ベアリングと固定子側又は回転子側との接触が緩和され、ベアリングに加わる荷重を低減することができる。このため、耐摩耗性の向上及び高寿命化を図るためには、上記隙間を設ける構造が必要となる。

しかしながら、回転子８極−固定子９極等の組み合わせで構成したモータにおいて、ベアリングと固定子側又は回転子側との間に径方向の隙間を設ける構成を採用すると、駆動時に異音が発生することがわかった。この要因を本発明の発明者が研究解析した結果、通電時に発生する径方向に不均等な力により回転子が上記隙間の分だけ径方向に振れ、ベアリングと固定子側又は回転子側とが接触することが原因であることが見出された。

このような回転子の径方向の振れに起因する不具合に対しては、特許文献１に開示される回転子の軸方向の移動により発生する異音に対する技術を適用しても効果を得ることができない。また、上記不具合はモータの構造上の要因により発生するものであるため、特許文献２のように通電制御による対策も効果がない。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、径方向に不均等な磁界により回転子を回転させるモータにおいて、ベアリングの側方に緩衝部材を設置することにより、回転子の径方向の振れによるベアリングに対する衝突を吸収して異音の発生を低減し、かつベアリングにかかる衝撃を緩和することができるモータを得ることを目的とする。

また、この発明は、駆動時に回転子が径方向に振れるモータを駆動させるにあたり、径方向に引き寄せられた回転子のベアリングへの衝突を緩和する程度に高い駆動周波数で駆動制御することにより、ベアリングに対する接触を低減して異音の発生を抑制することができる駆動制御装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車載機器用モータ駆動制御装置は、外周が複数に着磁された磁石を有する回転子と、回転子の外周に沿って配設された複数の通電コイルを有する固定子とを備え、通電コイルへの通電により発生する径方向に不均等な磁界で前記回転子が回転するモータを駆動制御する駆動制御装置において、回転子の径方向の振れによるベアリングへの衝突が発生する駆動周波数である場合、当該回転子がベアリングに衝突する回数が減るように、当該駆動周波数より高い範囲の駆動周波数でモータの回転を制御するものである。

この発明によれば、外周が複数に着磁された磁石を有する回転子と、回転子の外周に沿って配設された複数の通電コイルを有する固定子とを備え、通電コイルへの通電により発生する径方向に不均等な磁界で前記回転子が回転するモータを駆動制御する駆動制御装置において、回転子の径方向の振れによるベアリングへの衝突が発生する駆動周波数である場合、当該回転子がベアリングに衝突する回数が減るように、当該駆動周波数より高い範囲の駆動周波数でモータの回転を制御するので、ベアリングに対する接触を低減して異音の発生を抑制することができるなどの効果がある。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための最良の形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるモータの構造を示す断面図であり、軸方向断面を示しており、回転子８極−固定子９極のモータを示している。モータ１は、大きく分けると回転子３及び固定子７を含んで構成される。回転子３には、外周に沿って複数極に着磁された永久磁石２が設けられ、その中心軸部にはネジ穴が設けられている。ここでは、永久磁石２が８極にＮＳ着磁される。

上述した回転子３の内部に設けられたネジ穴に対し、出力軸１１の出力端逆側に配設されたネジ１０が噛み合い挿入される。回転子３を回転駆動すると、その回転力がネジ１０を介して出力軸１１へ伝達され、出力軸１１は回転が阻止されているため、回転子３の回転力は軸方向の直動力に変換される。

モータカバー（モータ筐体）９ａ内で回転子３を囲むように配設されたステータ（鉄心）７ａに通電コイルを巻回したものが固定子７である。ここでは、回転子３を囲むように９個のステータ７ａが配設され、これらステータ７ａに通電コイルがそれぞれ巻回され、通電により９極にＮＳ着磁される。

図２は、駆動時における回転子３の偏心を説明するための図であり、図１中のＡ−Ａ線で切った断面を示している。なお、固定子と回転子の関係を視認しやすくするため、固定子における通電コイルの記載を省略している。図２（ａ）及び図２（ｃ）は本実施の形態１によるモータ１と異なり、回転子３が１２極の磁極を有し、固定子７が９個の通電コイルを有するモータ（回転子１２極−固定子９極）を示しており、図２（ｂ）及び図２（ｄ）は本実施の形態１によるモータ１であり、回転子８極−固定子９極のモータを示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、Ｕ相からＶ相へ通電されたときの状況を示しており、図２（ｃ）及び図２（ｄ）は、Ｕ相からＷ相へ通電されたときの状況を示している。図２に示すように、固定子の通電コイルに通電するとステータ（鉄心）が磁化され、回転子の永久磁極と引き合う力が発生する。このとき、図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、回転子１２極−固定子９極のモータでは、通電コイルへの通電により磁界が均等に発生するため、回転子を径方向に引き付ける力が各方向（図２（ａ）及び図２（ｃ）中に矢印で示す方向）に均等に働き、回転子が偏心しない。

一方、本実施の形態１のモータ１のように回転子８極−固定子９極であると、通電コイルへの通電により径方向に不均等な磁界が発生し、回転子３を径方向の固定子７側に引き付ける力が不均等に加わる（図２（ｂ）及び図２（ｄ）中に矢印で示す方向の力）。これにより、駆動時に回転子３が径方向に振れてベアリング保持部３ａが上ベアリング４の内輪４ａに接触して異音が発生する。

そこで、本実施の形態１では、図１に示すように、回転子３のベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａとの間の隙間に緩衝部材１２を設けて異音の発生を抑える。なお、緩衝部材１２については後述する。

図１の説明に戻ると、モータカバー９ａにはボス（モータ筐体）９ｂが組み付けられ、ボス９ｂはワッシャ等の予圧部材８を保持している。また、回転子３の両端には回転軸を保持するための上ベアリング４及び下ベアリング５が装着される。

ここで、下ベアリング５の保持構造について詳細に説明する。
図３は、図１中の符号Ｂで示す部分の拡大図である。図３に示すように、下ベアリング５の内輪５ａは、回転子３の段差部３ｂと保持機構６とにより軸方向の上下に固定される（アキシャル方向の固定）。また、下ベアリング５の外輪５ｂは、モータカバー９ａの段差部９ｃとボス９ｂに保持された予圧部材８とにより軸方向の上下に固定される（アキシャル方向の固定）。このようにして、下ベアリング５の外輪５ｂは、モータカバー９ａやボス９ｂ等から構成されるモータ筐体に固着される。なお、下ベアリング５の内輪５ａ及び外輪５ｂにはボール５ｃが狭持される。

次に上ベアリング４の保持構造について詳細に説明する。
上ベアリング４は、下ベアリング５と異なって軸方向の上下に固定されず、軸方向に垂直な径方向（ラジアル方向）にのみ回転子３と固定子７とにより保持される。
図４は、図１中の符号Ｃで示す部分の拡大図である。図４に示すように、上ベアリング４は、回転子３のベアリング保持部３ａとモータカバー９ａのベアリング保持部９ｄとに挟まれるように保持される。

なお、図４において、上ベアリング４を図３に示す下ベアリング５と同様な寸法で記載したが、実際は図１に示すように下ベアリング５の寸法は上ベアリング４より大きい。
本発明において、モータ１の出力軸１１側であって負荷がかかる側（負荷側）に設ける下ベアリング５には、出力軸１１側から離れた反負荷側に設ける上ベアリング４より大きいベアリングを用いる。このようにすることで、モータに負荷がかかった際、上ベアリング４より高い荷重が加わる下ベアリング５の耐久性を向上させることができる。

図４に示すように、本実施の形態１によるモータ１では、上ベアリング４の内輪４ａと回転子３のベアリング保持部３ａとの間に部品の寸法ばらつきを吸収するための径方向の隙間Ｄが設けられる。この隙間Ｄを設けることにより、上ベアリング４の内輪４ａ又は外輪４ｂの径方向の寸法ばらつきや、回転子３のベアリング保持部３ａやモータカバー９ａのベアリング保持部９ｄの径方向の寸法ばらつきに対応することができる。

また、隙間Ｄがあると、モータ１に負荷がかかっても、上ベアリング４の内輪４ａと回転子３のベアリング保持部３ａとの接触が緩和され、上ベアリング４の内輪４ａに加わる荷重を低減することができる。このため、耐摩耗性の向上及び高寿命化を図ることができる。

しかしながら、単に隙間Ｄを設けるのみでは、上述したように異音が発生する。
そこで、本発明の第一の特徴として隙間Ｄに緩衝部材１２を設ける。この緩衝部材１２がクッションとなって、駆動時に回転子３が偏心してベアリング保持部３ａが上ベアリング４の内輪４ａ側に振れても、ベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａが直接衝突することがなく、異音の発生を抑制することができる。

また、回転子３のベアリング保持部３ａが、上ベアリング４の内輪４ａ側に振れた際の衝撃が緩衝部材１２により緩和されることから、例えば上ベアリング４の内輪４ａや回転子３のベアリング保持部３ａの耐摩耗性を向上させることができる。

なお、図４では、回転子３のベアリング保持部３ａ（回転子３側）と上ベアリング４の内輪４ａとの間に隙間Ｄを設けて緩衝部材１２を形成する例を示したが、モータカバー９ａのベアリング保持部９ｄ（固定子７側）と上ベアリング４の外輪４ｂとの間に隙間Ｄを設けて緩衝部材１２を形成する構成にしてもよい。

図５は、図４に示す緩衝部材１２の一例を示す図であり、図４と同様に図１中の符号Ｃで示す部分の拡大図を示している。図５に示す例では、回転子３のベアリング保持部３ａの外周部に溝部３ｃを形成し、弾性部材であるＯリング１２ａを溝部３ｃにはめ込んで緩衝部材としている。このＯリング１２ａは、図５に示すように隙間Ｄを維持する断面径を有している。

これにより、回転子３の偏心でベアリング保持部３ａが上ベアリング４の内輪４ａ側に振れても、Ｏリング１２ａがクッションとなってベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａが直接衝突することがなく、異音の発生を抑制できる。また、Ｏリング１２ａが劣化しても新たなＯリングに交換すればよく、メンテナンスも容易である。

図６は、図４に示す緩衝部材１２の他の例を示す図であり、図４と同様に図１中の符号Ｃで示す部分の拡大図を示している。図６に示す例では、断面Ｖ字状のバネ部材１２ｂをベアリング保持部３ａの外周に沿って配設して緩衝部材としている。バネ部材１２ｂは、図６に示すように隙間Ｄを維持しつつ、径方向に弾性を有する弾性部材である。

これにより、回転子３の偏心でベアリング保持部３ａが上ベアリング４の内輪４ａ側に振れても、バネ部材１２ｂがクッションとなってベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａが直接衝突することがなく、異音の発生を抑制することができる。

なお、本発明における緩衝部材１２は、回転子３の偏心によりベアリング保持部３ａが上ベアリング４の内輪４ａ側に振れた際の衝撃を緩和することができる弾性部材であれば、図５及び図６に示した構成に限定されるものでない。

また、図５及び図６では、Ｏリング１２ａ及びバネ部材１２ｂを、上ベアリング４の内輪４ａと回転子３のベアリング保持部３ａとの間に設ける例を示したが、上ベアリング４の外輪４ｂとモータカバー９ａのベアリング保持部９ｄとの間に設ける構成であっても構わない。

以上のように、この実施の形態１によれば、回転子３のベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａとの間に形成した隙間Ｄに緩衝部材１２を設置したので、モータ１の駆動時における回転子３の径方向の振れによる衝突の衝撃が吸収され、異音の発生を低減することができ、かつ上ベアリング４の内輪４ａにかかる衝撃を緩和することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２は、上記実施の形態１で示したように径方向に不均等な磁界で回転子が回転し、この回転子とベアリングの間に隙間Ｄを有するモータを、回転子のベアリングへの衝突を緩和できる程度の高さの駆動周波数で駆動制御するものである。

図７は、この発明の実施の形態２によるモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。図において、モータ１は上記実施の形態１で示したモータである。駆動装置１３は、駆動制御装置１４からの指令に従ってモータ１に電流を供給して駆動させる。駆動制御装置１４は、回転子３のベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａとの衝突を緩和できる程度の高さ、即ち衝突回数を低減できる周波数範囲の駆動周波数を駆動装置１３に設定してモータ１の駆動を制御する。

なお、図７の例では、駆動装置１３、駆動制御装置１４及びモータ１をそれぞれ別個の装置とした場合を示しているが、駆動装置１３及び駆動制御装置１４を駆動回路としてモータ１に組み込んでもよいし、駆動制御装置１４を制御する外部の制御装置（不図示）側に組み込んでもよい。

図８は、上記実施の形態１のモータの駆動時における回転子の動きを説明するための図であり、回転子３のベアリング保持部３ａ及び上ベアリング４の内輪４ａを回転軸に垂直な面で切った断面を示している。通常のＤＣモータでは、回転子の回転が悪化しない程度に低い駆動周波数が設定される（例えば、２００Ｈｚ前後）。この駆動周波数で、上記実施の形態１で示した回転子８極−固定子９極等の組み合わせのモータ１を回転させると、図８に示すように、１回転のうち６方向に回転子３が引き寄せられて六角形状に回転し、その頂点毎に上ベアリング４の内輪４ａに接触して異音が発生する。

上記通常の駆動周波数より駆動周波数を高くしていくと、回転子３は、各頂点に到達する前に次の通電コイルが通電されて次の頂点に回転しようとする。つまり、駆動周波数を上げていくに従って１回転での衝突回数が６回から徐々に減少する。

そこで、本実施の形態２による駆動制御装置１４では、回転子３のベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａとの衝突を緩和できる程度の高さの駆動周波数を駆動装置１３に設定してモータ１を回転させる。例えば、上記通常の駆動周波数が２００Ｈｚ程度であれば、本実施の形態２では、５００Ｈｚ程度の駆動周波数でモータ１を駆動させる。この結果、各頂点でベアリングに接触する程度が減り、異音の発生を低減することができる。図８に例では、一点破線で示すように回転子３の１回転での衝突回数が０回になるまで駆動周波数を上げた場合を示している。

なお、駆動制御装置１４が設定する駆動周波数は、例えば図８に示すように回転子３の径方向の振れにより６回／回転で衝突していたところ、５回／回転、４回／回転、３回／回転のように周波数の上昇に伴って回転子３の１回転における衝突回数が減少する周波数範囲（回転子３のベアリング保持部３ａと上ベアリング４の内輪４ａとの衝突を緩和できる程度の周波数範囲）であればよい。

以上のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１で示したモータ１を駆動するにあたり、径方向に引き寄せられた回転子３のベアリング４への衝突を緩和する程度に高い駆動周波数で駆動制御することにより、回転子３のベアリング保持部３ａとベアリング４の内輪４ａとの接触回数が低減され、異音の発生を抑制することができる。

また、上記実施の形態２では、上記実施の形態１によるモータ１の駆動制御を例に挙げたが、上記実施の形態１で示したように径方向に不均等な磁界で回転子を回転させるモータであって隙間Ｄに緩衝部材１２を設けないモータの駆動を制御してもよい。つまり、上記駆動周波数で回転を制御することにより、当該モータにおいても回転子のベアリング保持部とベアリングとの接触回数を低減することができる。

以上のように、この発明に係るモータ及び駆動制御装置は、ベアリングの側方に設置した緩衝部材により回転子の径方向の振れによる衝突の衝撃が吸収されることで、耐摩耗性を向上させ、かつ長寿命化を図ることができたため、負荷のかかる車両用モータのような高出力のＤＣモータなどに用いるのに適している。

この発明の実施の形態１によるモータの構造を示す断面図である。 駆動時における回転子の偏心を示す断面図である。 図１中の符号Ｂで示す部分の拡大図である。 図１中の符号Ｃで示す部分の拡大図である。 緩衝部材の一例を示す図である。 緩衝部材の他の例を示す図である。 この発明の実施の形態２によるモータ駆動システムの構成を示すブロック図である。 駆動時の回転子の動きを説明するための図である。

符号の説明

１ モータ、２ 永久磁石、３ 回転子、３ａ，９ｄ ベアリング保持部、３ｂ，９ｃ 段差部、３ｃ 溝部、４ 上ベアリング、４ａ，５ａ 内輪、４ｂ，５ｂ 外輪、４ｃ，５ｃ ボール、５ 下ベアリング、６ 保持機構、７ 固定子、７ａ ステータ、８ 予圧部材、９ａ モータカバー（モータ筐体）、９ｂ ボス（モータ筐体）、１０ ねじ穴、１１ 出力軸、１２ 緩衝部材、１２ａ Ｏリング、１２ｂ バネ部材、１３ 駆動装置、１４ 駆動制御装置。

Claims (3)

1. 外周が複数に着磁された磁石を有する回転子と、前記回転子の外周に沿って配設された複数の通電コイルを有する固定子とを備え、前記通電コイルへの通電により発生する径方向に不均等な磁界で前記回転子が回転するモータを駆動制御する駆動制御装置において、
   前記回転子の径方向の振れによるベアリングへの衝突が発生する駆動周波数である場合、当該回転子がベアリングに衝突する回数が減るように、当該駆動周波数より高い範囲の駆動周波数で前記モータの回転を制御することを特徴とする車載機器用モータ駆動制御装置。
2. 前記モータは、ＤＣブラシレスモータであることを特徴とする請求項１記載の車載機器用モータ駆動制御装置。
3. 前記モータは、前記回転子の一端側を軸方向に固定する負荷側ベアリングと、前記回転子の他端側を径方向に固定する反負荷側ベアリングと、前記反負荷側ベアリングの径方向に設けた緩衝部材とを備えたことを特徴とする請求項１記載の車載機器用モータ駆動制御装置。

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