JP6474283B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレスモータのロータコア構造に関し、特に、マグネット埋め込み式のモータ（ＩＰＭモータ：Interior Permanent Magnet Motor）に使用されるロータコアのコアプレート固定構造に関する。

ブラシレスモータのロータコアは一般に、鉄損低減のため、電磁鋼板にて形成された薄板状のコアプレートを多数積層して形成されている。積層されたコアプレートは、ボスやリベット等の固定手段により固定され、モータ用のロータコアが積層形成される。従来より、ロータコア外周面にマグネットが配置されたＳＰＭモータ（Surface Permanent Magnet Motor）では、マグネットの磁路を妨げないように、コアプレート積層用のボスは、マグネットの中央でロータコアの中心寄りに設けられる場合がある。

一方、近年、ロータ内部に磁石を埋め込み、マグネットの磁力によるマグネットトルクと、ロータの磁化によるリラクタンストルクの両方によってロータを回転させるＩＰＭモータの利用が拡大している。ＩＰＭモータは、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクを活用できるため、高効率で高トルクなモータとして、自動車用電動パワーステアリング装置の駆動源に使用される他、ハイブリッド自動車やエアコン等への使用も増加している。そして、このＩＰＭモータにおいても、ロータコアには、コアプレートを多数積層した積層コアが使用されている。

特開２００４−３５０３４５号公報 特開２００２−１０５４８号公報

ところが、ＩＰＭモータでは、ロータコア外周付近に磁気回路として使用される薄肉のブリッジ部が存在し、ＳＰＭタイプに比して外周部分の強度が低くなる。このため、特許文献１のように、ＳＰＭタイプと同様の位置にコアプレートの固定手段（カシメピン）を配置すると、積層時にブリッジ部にねじれが生じたり、ブリッジ部にて積層剥がれが発生したりするおそれがある。つまり、特許文献１のようなボス位置では、積層自体が難しく、また、積層後の剥がれを抑えるため、外周部の溶接やコアの接着が必要となる、などの課題があった。

これに対し、特許文献２のように、コアプレートの固定手段（カシメピン）をマグネットの径方向外側でブリッジ部に近い位置に配置すれば、ブリッジ部のねじれや剥離は生じにくくなる。しかしながら、これらの位置にボスやピンを配置すると、マグネットの主磁束の流れが妨げられてしまい、マグネット磁束を有効活用できず、モータ効率が低下する、という問題があった。

本発明の目的は、ＩＰＭタイプのブラシレスモータにおいて、磁気回路への影響を最小限に抑えつつ、ブリッジ部のねじれや剥がれを防止し得るコアプレートの積層固定構造を提供することにある。

本発明のブラシレスモータは、ステータと、該ステータの内側に回転自在に配置されるロータを有するブラシレスモータであって、前記ロータは、磁性材料にて形成されたコアプレートを複数枚積層したロータコアと、該ロータコア内に固定された複数個のマグネットと、を有し、前記ロータコアは、ロータシャフトに固定されるコア本体と、該コア本体の周方向に沿って等間隔に設けられ前記マグネットが収容配置される複数個のマグネット収容部と、前記マグネット収容部の外周側に形成され前記ロータの外周部に配される複数の突極部と、隣接する前記突極部の間にて該突極部と前記コア本体とを連結するブリッジ部と、を有し、前記マグネット収容部は、前記マグネットの周方向への移動を規制するマグネット固定段差と、該マグネット収容部の周方向両端に形成され前記マグネット固定段差にて周方向への移動が規制された前記マグネットの両側に設けられる空隙部と、を有し、前記マグネットの厚み方向の幅は、前記空隙部における前記マグネットの前記厚み方向と同方向の幅よりも大きくなるよう設定され、前記コア本体は、前記ブリッジ部の径方向内側に前記空隙部に近接して前記マグネット固定段差によって形成され該コア本体を径方向に拡大する形で設けられた張出部と、隣接する前記コアプレート同士を積層固定するための固定手段と、を有し、前記固定手段は、前記張出部を利用して、前記ブリッジ部の近傍に配置されることを特徴とする。

本発明にあっては、ブリッジ部の径方向内側に空隙部に近接して形成された張出部に、コアプレート同士を積層固定するための固定手段を配置する。この張出部の部位は、固定手段を配してもマグネットの主磁束流れに対する影響が少なく、張出部を利用することにより、固定手段をより外周側に配置することができる。このため、当該位置に固定手段を配することにより、磁気回路に影響を与えることなく、積層時のねじれ等を効果的に抑制できる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記固定手段を、前記マグネット収容部に対し、前記コアプレートの板厚以上の間隔をあけて配置するようにしても良く、これにより、固定手段を形成したり、取り付けたりする際の加工性が向上する。

また、前記マグネット収容部の径方向内側の周縁を延長した線分をＰとし、隣接する前記マグネット収容部の前記線分Ｐの交点Ｑをするとき、前記固定手段が前記交点Ｑよりも前記ロータコア外周から離れないように、前記交点Ｑが前記固定手段の領域内に存在するようにしても良い。このように、固定手段配置の指標として交点Ｑを設定し、少なくとも交点Ｑが固定手段領域内に入るという基準を設けることにより、固定手段が交点Ｑよりもロータコア外周から離れない位置に配置することができる。この場合、前記ブリッジ部の長さをＬとし、前記マグネット固定段差を設けることなく、前記ブリッジ部の長さを最大限大きく取った場合の長さをＬmaxとしたとき、ＬとＬmaxの比Ｌ／ＬmaxをＬ／Ｌmax≧０.３６に設定しても良い。

さらに、前記固定手段として、前記コアプレートにボスを突設し、隣接する前記コアプレートの前記ボス同士を嵌合させることにより、前記コアプレートを積層固定するようにしても良い。これにより、リベットやピン等の別部品を用いることなくコアプレートを積層固定でき、部品点数の削減が図られる。この場合、前記ブリッジ部の円周方向の幅を、前記ボス部の外径よりも小さく形成しても良い。加えて、前記複数個のマグネットの夫々について、その角部を曲線形状に面取りすると共に、前記マグネット収容部の内面を前記マグネットの前記角部の曲線形状に沿うように径方向に屈曲させる形で前記マグネット固定段差を形成しても良い。

本発明のブラシレスモータにあっては、ロータ内にマグネットを埋設したＩＰＭタイプのブラシレスモータにて、コアプレート同士を積層固定するための固定手段を、ロータコアに設けられたブリッジ部の径方向内側に形成された張出部に配置する。ブリッジ部の径方向内側近傍位置は、固定手段を配してもマグネットの主磁束流れに対する影響が少なく、しかも、張出部に固定手段を配することにより、より外周側に固定手段を配置することが可能となる。従って、モータ効率の低下を最小限に抑えつつ、コアプレート積層時におけるブリッジ部のねじれや剥がれを抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態であるブラシレスモータの断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 ブリッジ部の近傍の構成を示す拡大説明図である。 ブリッジ部の構成例を示す説明図であり、（ａ）はブリッジ部がない場合（Ｌ＝０）、（ｂ）はブリッジ部最大限大きく取った場合（Ｌ＝Ｌmax）をそれぞれ示している。 ブリッジ部の長さＬと出力トルクの変化との関係を示すグラフである。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、本発明の一実施形態であるブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）の断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。モータ１は、インダクタンス差に基づくリラクタンストルクと、マグネットの磁力によるマグネットトルクによりロータを回転させるＩＰＭ型のブラシレスモータである。モータ１は、図１に示すように、外側にステータ（固定子）２、内側にロータ（回転子）３を配したインナーロータ型のブラシレスモータとなっている。

ステータ２は、有底円筒形状のモータケース４（以下、ケース４と略記する）の内側に固定されている。ステータ２は、ステータコア５と、ステータコア５の複数のティース部９にインシュレータ１１を介して巻装されたステータコイル６（以下、コイル６と略記する）及びステータコア５に取り付けられコイル６と電気的に接続されるバスバーユニット（端子ユニット）７とから構成されている。なお、本実施の形態においては、ティース部９は９本からなり、コイル６は隣接するティース部９間の９つのスロット内に配置されている。ケース４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、その開口部には、図示しない固定ネジによってアルミダイキャスト製のブラケット８が取り付けられる。

ステータコア５は、鋼製の薄板材であるステータコアプレート１７（例えば、板厚０.５ｍｍの電磁鋼板）を積層して形成されている。ステータコア５には、複数個のティース部９が径方向内側に向かって突設されている。隣接するティース部９の間にはスロット１０が形成され、その中にはコイル６が収容されている。ステータコア５には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられており、インシュレータ１１の外側にコイル６が巻装されている。ステータコア５の軸方向一端側には、インシュレータ１１によって位置決めされたバスバーユニット７が取り付けられている。バスバーユニット７は、合成樹脂製の本体部内に銅製のバスバーがインサート成形された構成となっている。

バスバーユニット７の周囲には、複数個の接続端子１２が径方向に突設されている。バスバーユニット７の取り付けに際し、接続端子１２は、ステータコア５から引き出された各コイル６の端部６ａが溶接される。バスバーユニット７では、バスバーはモータ１の相数に対応した個数（ここでは、Ｕ相,Ｖ相,Ｗ相分の３個と各相同士の接続用の１個の計４個）設けられている。各コイル６は、その相に対応した接続端子１２と電気的に接続される。ステータコア５は、バスバーユニット７を取り付けた後、ケース４内に圧入又は接着等の固定手段により固定される。

ステータ２の内側にはステータ２と同芯状にロータ３が挿入されている。ロータ３はロータシャフト１３を有しており、ロータシャフト１３はベアリング１４ａ,１４ｂによって回転自在に軸支されている。ベアリング１４ａはケース４の底部中央に、ベアリング１４ｂはブラケット８の中央部にそれぞれ固定されている。ロータシャフト１３には、円筒形状のロータコア１５と、回転角度検出手段であるレゾルバ２１のロータ（レゾルバロータ）２２が取り付けられている。レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、レゾルバホルダ２４ａに収納され、合成樹脂製のレゾルバブラケット２４ｂを介して、取付ネジ２５によってブラケット８の内側に固定される。

ロータコア１５もまた、鋼製の薄板材であるロータコアプレート１８（例えば、板厚０.５ｍｍの電磁鋼板）を積層して形成されている。ロータコア１５の外周部には、周方向に沿って、マグネット取付用のスリット（マグネット収容部）３１が複数個設けられている。スリット３１は、ロータコア１５を軸方向に貫通している。スリット３１の周方向左右の端部には、一対のマグネット固定段差（マグネット移動規制部）３２が形成されている。マグネット１６は、左右のマグネット固定段差３２の間に、周方向への移動が規制された状態で挟持固定される。スリット３１に収容された各マグネット１６の外周側には、弓形の突極部３３が形成される。マグネット１６は、周方向に沿って６個配置されており、モータ１は６極９スロット構成となっている。スリット３１内には、マグネット１６の周方向両側に空隙部３４が形成されている。空隙部３４は、磁束が通りにくいフラックスバリアとして機能する。

マグネット１６としてネオジム磁石等の希土類磁石を使用する際、磁束を有効に使用するには、マグネットはなるべくロータコア１５の径方向外側へ配置することが好ましい。そのため、モータ１では、フラックスバリアとしての空隙部３４をマグネット１６の両側部に配しつつ、マグネット１６がよりロータコア１５の径方向外周側に配置されるように、スリット３１の両端部の径方向内側にマグネット固定段差３２を設け、その間にマグネット１６を配置するようにしている。この場合、空隙部３４は、スリット３１の両端に略台形状に形成され、隣接する空隙部３４の間にはブリッジ部３５が形成されている。ブリッジ部３５は、隣接する突極部３３の間に配置され、中央側のコア本体１５ａと外周側の突極部３３とを連結している。

図３は、ブリッジ部３５の近傍の構成を示す拡大説明図である。図３に示すように、ブリッジ部３５のロータ中心側には、ロータコアプレート１８を積層固定するための積層ボス（固定手段）３６が設けられている。発明者らの磁場解析によると、ブリッジ部３５の両側は空隙部３４となっていることもあり、ブリッジ部３５の近傍に積層ボス３６を配してもマグネット１６の主磁束流れに対する影響が少ないことが分かった。また、ブリッジ強度を上げるには、強度的に最弱部となるブリッジ部３５に近い部位に積層ボス３６を設けることが最適である。そこで、モータ１では、空隙部３４の配置や形状を工夫することによりマグネット１６を外周寄りに配置しつつ、積層時のねじれ等を防止できる位置で、且つ、磁気回路に影響しない最良の位置に積層ボス３６を配置している。

積層ボス３６は円筒状に形成されており、軸方向に向かって突出する様ボス出し加工によって形成されている。ロータコアプレート１８を積層する際には、隣接層の積層ボス３６同士を嵌合させる。これにより、複数枚のロータコアプレート１８が積層状態で固定される。また、モータ１では、マグネット固定段差３２によってブリッジ部３５の内側にできたデッドスペースを活用して積層ボス３６が設けられている。図３に示すように、スリット３１の端部にマグネット固定段差３２を形成すると、スリット３１の内縁部３１ａが径方向に屈曲した形となる。マグネット固定段差３２は、マグネット１６の加工仕上がりの面取り（Ｒ０.４mm程度）を考慮し、０.７mm程度の段差（高さ：Ｈ）となっており、段差部分には、中心側から見たとき、コア本体１５ａが段差分だけ径方向に拡大した形で凸状の張出部３７が形成される。張出部３７はブリッジ部３５よりも広幅となっており、この張出部３７を利用して、ブリッジ部３５の近傍に積層ボス３６が設けられている。

ここで、スリット３１の内縁部３１ａと積層ボス３６との間には、積層ボス３６をプレス加工する関係から、ロータコアプレート１８の板厚（ここでは０.５mm）以上の間隔を設けることが望ましい。その一方、積層時のねじれ等に対しては、できる限りロータコア１５の外周側に積層ボス３６を配置することが望まれる。そこで、モータ１では、内縁部３１ａとの間に板厚以上の間隔を確保しつつ、積層ボス３６ができるだけ外周側に配されるように、隣接するスリット３１の径方向内側の周縁である内縁部３１ａを延長した線分Ｐの交点Ｑが、積層ボス３６内に存在する位置に積層ボス３６を配置している。つまり、積層ボス配置の指標として交点Ｑを設定し、少なくとも交点Ｑがボス領域内に入るという基準を設けている。当該基準により、積層ボス３６は、交点Ｑよりもロータコア外周から離れない位置に配置される。

このように、モータ１では、交点Ｑを指標としてボス位置を外周寄りに設定しているが、積層時のねじれ等に対しては積層ボス３６をなるべく外周側に設けた方が良いという観点からすると、ブリッジ部３５の長さＬは０とすることが好ましいことになる。しかしながら、ブリッジ部３５には、前述のようなロータ３の内外周部分をつなぐ機能のみならず、磁気抵抗となることにより磁束の漏れを抑制し、極間の磁束の漏れを低減する機能も有している。このため、図４（ａ）のように、ブリッジ部３５を無くすと（Ｌ＝０）、磁気抵抗が減少し磁束が漏れ易くなり、出力トルクが低下する。従って、磁束を漏れにくくするという観点では、Ｌは大きい方が良く、少なくとも０より大きくしなくてはならない（Ｌ＞０）。但し、その分、積層ボス３６は中心側に寄ることになり、積層時のねじれ等に関しては不利に働く。

そこで、ブリッジ部３５の長さＬと出力トルクの変化との関係を見ると、図５に示すように、Ｌ＝０.７程度ではほとんどトルクには影響はないが、Ｌが０.６mmを下回るとトルクが低下し始め、０.２mmを下回ると急激に低下する。この結果から、ブリッジ部３５の長さＬは、少なくとも０.２mm以上、好ましくは、トルクの落ち込みが実用上ほとんどない０.５mm以上に設定することが望ましいことが分かる。これは、仮にマグネット固定段差３２を設けることなく、図４（ｂ）に示したような形でブリッジ部３５を最大限大きく取った場合（Ｌmax、ここでは１.４mm）に対し、Ｌ／Ｌmaxを、少なくとも０.２／１.４（＝０.１４）以上、好ましくは、０.５／１.４（＝０.３６）以上に設定する方が良いことを意味しており、これを受けて当該モータ１では、Ｌ＝０.５mmに設定されている。

以上のように、本発明によるモータ１では、磁気回路にできるだけ影響を与えない位置で、且つ、できる限り外周側に積層ボス３６を配置したので、ボス形成によるトルク低下を招来することなく、強度的に弱いブリッジ部３５の可能な限り近傍に積層ボス３６を配することができる。このため、従来と同様の形態のボスであるにもかかわらず、積層ボス３６により、ロータコア積層時におけるブリッジ部のねじれや積層剥がれを抑えることが可能となる。その結果、コアプレートの積層が容易になると共に、外周部の溶接やコアの接着など、積層剥がれを抑えるためだけの加工が不要となり、ロータコアの製造コストを低減させることが可能となる。また、磁気回路への影響が小さい位置に積層ボス３６が配されるため、トルクの低減も抑えられ、モータ効率を低下させることなく、ロータコア積層時の課題を解決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、前述の実施の形態では、ロータコアプレート１８を積層固定する手段として積層ボス３６を用いた例を示したが、コアプレート固定手段としては、例えば、リベットやピンなど、ボス以外の部材を用いることが可能である。また、スリット３１内にマグネット１６を保持する構成としては、段状のマグネット固定段差３２のみならず、周方向両端に向かって幅が狭くなるようなテーパ形状の固定部を採用することも可能である。さらに、ロータコアの外径の大きく、積層ボス３６のみではロータコアプレート１８の固定強度に不足が生じるおそれがある場合は、積層ボス３６と共に、ＳＰＭタイプと同様の位置にも併せて積層ボスを設けても良い。加えて、ロータの磁極部分は、ロータコアの中心より径方向外側に中心を持って円弧状に形成された突極部からなる異形形状のロータのみならず、外周が真円形状のロータを採用することも可能である。

本発明は、電動パワーステアリング装置の駆動源、他の車載電動装置や、ハイブリッド自動車、電気自動車、エアコン等の電気製品等に広く適用可能である。

１ ブラシレスモータ
２ ステータ
３ ロータ
４ モータケース
５ ステータコア
６ ステータコイル
６ａ 端部
７ バスバーユニット
８ ブラケット
９ ティース部
１０ スロット
１１ インシュレータ
１２ 接続端子
１３ ロータシャフト
１４ａ,１４ｂ ベアリング
１５ ロータコア
１５ａ コア本体
１６ マグネット
１７ ステータコアプレート
１８ ロータコアプレート
２１ レゾルバ
２２ レゾルバロータ
２３ レゾルバステータ
２４ａ レゾルバホルダ
２４ｂ レゾルバブラケット
２５ 取付ネジ
３１ スリット（マグネット収容部）
３１ａ 内縁部
３２ マグネット固定段差（マグネット移動規制部）
３３ 突極部
３４ 空隙部
３５ ブリッジ部
３６ 積層ボス（固定手段）
３７ 張出部
Ｌ ブリッジ部長さ
Ｈ マグネット固定段差高さ
Ｐ スリットの径方向内側の周縁（内縁部）を延長した線分
Ｑ 線分Ｐの交点

Claims (7)

1. ステータと、該ステータの内側に回転自在に配置されるロータを有するブラシレスモータであって、
   前記ロータは、磁性材料にて形成されたコアプレートを複数枚積層したロータコアと、該ロータコア内に固定された複数個のマグネットと、を有し、
   前記ロータコアは、ロータシャフトに固定されるコア本体と、該コア本体の周方向に沿って等間隔に設けられ前記マグネットが収容配置される複数個のマグネット収容部と、前記マグネット収容部の外周側に形成され前記ロータの外周部に配される複数の突極部と、隣接する前記突極部の間にて該突極部と前記コア本体とを連結するブリッジ部と、を有し、
   前記マグネット収容部は、前記マグネットの周方向への移動を規制するマグネット固定段差と、該マグネット収容部の周方向両端に形成され前記マグネット固定段差にて周方向への移動が規制された前記マグネットの両側に設けられる空隙部と、を有し、
   前記マグネットの厚み方向の幅は、前記空隙部における前記マグネットの前記厚み方向と同方向の幅よりも大きくなるよう設定され、
   前記コア本体は、前記ブリッジ部の径方向内側に前記空隙部に近接して前記マグネット固定段差によって形成され該コア本体を径方向に拡大する形で設けられた張出部と、隣接する前記コアプレート同士を積層固定するための固定手段と、を有し、
   前記固定手段は、前記張出部を利用して、前記ブリッジ部の近傍に配置され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、
   前記固定手段は、前記マグネット収容部に対し、前記コアプレートの板厚以上の間隔をあけて配置され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、
   前記マグネット収容部の径方向内側の周縁を延長した線分をＰとし、
   隣接する前記マグネット収容部の前記線分Ｐの交点Ｑをするとき、
   前記固定手段が前記交点Ｑよりも前記ロータコア外周から離れないように、前記交点Ｑが前記固定手段の領域内に存在することを特徴とするブラシレスモータ。
4. 請求項３記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ブリッジ部の長さをＬとし、
   前記マグネット固定段差を設けることなく、前記ブリッジ部の長さを最大限大きく取った場合の長さをＬmaxとすると、Ｌ／Ｌmax≧０.３６であることを特徴とするブラシレスモータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記固定手段は前記コアプレートに突設されたボスであり、隣接する前記コアプレートの前記ボス同士を嵌合させることにより、前記コアプレートは積層固定されることを特徴とするブラシレスモータ。
6. 請求項５記載のブラシレスモータにおいて、
   前記ブリッジ部の円周方向の幅は、前記ボス部の外径よりも小さいことを特徴とするブラシレスモータ。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
   前記複数個のマグネットの夫々は、その角部が曲線形状に面取りされ、
   前記マグネット固定段差は、前記マグネット収容部の内面を前記マグネットの前記角部の曲線形状に沿うように径方向に屈曲した形で形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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