JP6914150B2 - ブラシレスモータ - Google Patents

Description

本発明は、電動モータに関し、特に、スキュー構造を備えたブラシレスモータに関する。

ブラシレスモータの静粛性向上のためには、トルクリップルやコギングを低減させ、モータを滑らかに回転させることが必要となる。このため、ブラシレスモータでは、コギングやトルクリップルを低減させる手段として、従来より、ロータ磁極等を軸方向に傾斜させるスキュー構造が広く用いられている。このスキュー構造では、最適なスキュー角は、磁極数とスロット数との最小公倍数から導き出すことができ、３６０°を磁極数とスロット数との最小公倍数で除した値が最適なスキュー角となる（次式）。

最適スキュー角度（電気角）＝Ｐ×（３６０°／２ＰとＴの最小公倍数）
・極数（２Ｐ）
・スロット数（Ｔ）
例えば、磁極数が４極、スロット数が６の場合、最小公倍数は１２であり、３６０°を１２で割ると３０°となる。したがって、磁極数が４極、スロット数が６の場合、最適なスキュー角は６０°（電気角）となる。

特開２００５−２０９３０号公報 特開２０１６−１００９７９号公報 特願２００８−１７２９８３号

ところが、ブラシレスモータでは、軸方向に沿った磁束分布の変化により、コギングトルクにも部位による差が生じ、一般に、軸方向中央部は小さく、端部で大きくなる傾向がある。これは、ティース中央部又は先端部の磁束密度が大きくなるほど顕著であり、無通電時に前記磁束密度が最大１Ｔを超えるようなモータの場合、スキュー角を最適角度に設定にしてもコギングトルクが最小にならないという問題があった。この場合、スキューを最適スキュー角以上に設定することにより、コギングを最小にすることが可能であるが、かかる設定の場合、スキュー角が大きくなるため、スキューによる磁束の低下も大きくなってしまう。このため、所望の出力を確保するには、モータ体格を大きくせざるを得ず、モータが大型化してしまうという問題があった。

本発明の目的は、コギングやトルクリップルをスキュー構造によって低減しつつ、スキューに伴う有効磁束の低下を抑え、モータの出力を確保することにある。

本発明のブラシレスモータは、複数のティースが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配置され、円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周に固定されたリング状のマグネットを備えるロータと、を有し、前記マグネットは、極異方性着磁され、その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し、該ブラシレスモータの無負荷時における前記ティースの径方向中央部又は先端部の磁束密度の最大値が１Ｔ以上であるブラシレスモータであって、該ブラシレスモータのコギングトルクが、前記マグネットをラジアル着磁した場合よりも小さくなるよう、前記マグネットの表面磁束密度分布を、奇数倍の高調波を含有した正弦波波形とすると共に、前記高調波として、その第１番目の波形が前記表面磁束密度分布の１次基本波と同位相となった同位相の高調波を含有させ、前記マグネットの極数を２Ｐ、前記スロットの数をＴとしたとき、その最適値が、θ（電気角）＝Ｐ×（３６０°／２ＰとＴの最小公倍数）にて表される前記マグネットのスキュー角θを、電気角４０°〜６０°の範囲に設定したことを特徴とする。

本発明にあっては、ロータマグネットをスキュー構造とするとともに、マグネットの表面磁束密度分布を奇数倍の高調波を含有した正弦波波形とする。これにより、ティースの径方向中央部又は先端部の磁束密度の最大値が１Ｔ以上のブラシレスモータにおけるコギングトルクの低減が図られる。また、前記スキュー角θを電気角４０°〜６０°の範囲に設定することにより、スキュー角が理論上の最適スキュー角よりも小さく設定され、スキューによる磁束低下が抑えられる。さらに、前記高調波として、前記マグネットの表面磁束密度分布と同位相を有するものを含有させることにより、ラジアル着磁の場合とほぼ同等の有効磁束を維持することができ、コギングトルク低減と有効磁束の確保の両立をバランス良く実現することが可能となる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記スキュー角θを電気角４０°〜５０°の範囲に設定しても良い。

また、前記同位相の高調波を含有させることにより、逆位相の前記高調波を含有させた場合に比して、前記表面磁束密度分布の波形を台形波に近付け該波形の変化を滑らかにするようにしても良い。

本発明のモータによれば、ブラシレスモータのロータマグネットにスキュー構造を採用するとともに、マグネットの表面磁束密度分布を奇数倍の高調波を含有した正弦波波形とすることにより、無負荷時におけるティースの径方向中央部又は先端部の磁束密度の最大値が１Ｔ以上であるブラシレスモータにおいてもコギングトルクの低減を図ることが可能となる。

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減速機構付きモータユニットの構成を示す説明図ある。 図１のブラシレスモータを軸方向から見た側面図である。 図１のブラシレスモータにおけるロータマグネットの構成を示す説明図である。 マグネットの表面磁束密度分布を示す説明図であり、歪みなしの正弦波（１次基本波）と、同位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波、逆位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波をそれぞれ示している。 （ａ）は同位相の高調波を示す説明図、（ｂ）は逆位相の高調波を示す説明図である。 高調波の含有率を示す説明図である。 （ａ）はスキュー角θとコギングトルクとの関係、（ｂ）は有効磁束とコギングトルクとの関係を、それぞれ、ラジアル着磁、同位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波、逆位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波にて比較した説明図である。 ラジアル着磁における表面磁束密度波形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１１を用いた減速機構付きモータユニット１の構成を示す説明図、図２は、ブラシレスモータ１１を軸方向から見た側面図である。図１のモータユニット１は、モータと制御部が一体化されたいわゆる機電一体構造の減速機構付きモータであり、ブラシレスモータ１１を備えたモータ部２と、ウォームギヤを用いた減速機構部３、及び、ブラシレスモータ１１を駆動制御するための制御回路が搭載された制御部４とから構成されている。モータユニット１は、例えば、自動車の電動サンルーフの駆動源として使用される。

モータ部２にはブラシレスモータ１１が配されている。ブラシレスモータ１１は、外側にステータ１２、内側にロータ１３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１２は、ヨークを兼ねたモータケース１４と、モータケース１４の内周側に固定されたステータコア（コア部材）１５、及び、ステータコア１５に巻装されたコイル１６とを備えている。モータケース１４は、鉄等にて有底筒状に形成されており、断面が六角形状となっている。モータケース１４の開口部には合成樹脂製のフレーム１７が取り付けられている。フレーム１７の上部は開口しており、開口部分にはカバー１８が取り付けられる。モータケース１４は、フレーム１７のフランジ部１７ａに設けられたモータ取付用のネジ孔１７ｂに、ネジ１９によって固定される。

ステータコア１５は鋼板を多数積層した一体コア構造となっており、六角形状の継鉄部２１と、継鉄部２１から内側方向へ突出形成されたティース２２とを備えている。ティース２２は周方向に沿って複数個（ここでは６個）設けられている。各ティース２２の間にはスロット２３（６個）が形成されている。ブラシレスモータ１１では、ティース２２は、その径方向中央部Ｘ、又は先端部Ｙが無通電状態で最大１Ｔ以上の磁束密度を有するように着磁されている。

ステータコア１５の内側には、軸方向両端側から、合成樹脂製のインシュレータ２４が取り付けられている。各ティース２２には、インシュレータ２４を介して巻線２５が巻装されコイル１６が形成される。インシュレータ２４には、各相（ここでは、Ｕ,Ｖ,Ｗの３相）に対応したコイルターミナル（コイル接続端子）２６（２６Ｕ,２６Ｖ,２６Ｗ）が設けられており、コイル１６（巻線２５）は、各コイルターミナル２６Ｕ,２６Ｖ,２６Ｗに電気的に接続されている。

ロータ１３はステータ１２の内側に配置されており、回転軸３１と、ロータコア３２、マグネット３３を同軸状に配した構成となっている。回転軸３１の外周には、鋼板を多数積層した円筒形状のロータコア３２が取り付けられている。ロータコア３２の外周には、周方向に沿って複数極（ここでは４極）に着磁されたリング状のマグネット３３が固定されている。ブラシレスモータ１１では、マグネット３３にスキュー着磁が施されている。図３は、マグネット３３の構成を示す説明図である。図３に示すように、マグネット３３は、スキュー構造となっており、磁極境界線Ｌが軸方向に沿って回転方向にずれる形で傾斜している。ここでは、マグネット３３のスキュー角θは、前述の最適スキュー角度（電気角６０°）未満、若しくは電気角３０°〜電気角６０°の範囲（３０°≦θ＜６０°）に設定されている。

また、ブラシレスモータ１１では、マグネット３３の表面磁束密度分布が、奇数倍の高調波（３次、５次、７次高調波）を含有した正弦波となっている。図４は、マグネット３３の表面磁束密度分布を示す説明図であり、歪みなしの正弦波（１次基本波）と、同位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波、逆位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波をそれぞれ示している。なお、同位相の高調波とは、高調波の第１番目の波形が１次基本波と同位相になっているものを言い（図５（ａ））、逆位相の高調波とは、高調波の第１番目の波形が１次基本波と逆位相になっているものを言う（図５（ｂ））。高調波の含有率は、図６に示すように、３次成分が大きく、５次以降の成分は小さくなっており、この場合、３次成分は極異方性着磁により積極的に重畳され、５次以降の成分は着磁時に不可避的に重畳される。

回転軸３１の一端部は、モータケース１４の底部に圧入された軸受３４に回転自在に支持されている。回転軸３１の他端部は、フレーム１７の軸受保持部１７ｃ,１７ｄに取り付けられた軸受メタル３５,３６によって回転自在に支持されている。回転軸３１の端部（図１において右端部）には、ウォーム３７が形成されている。ウォーム３７は、フレーム１７内に配置されたウォームホイール３８と噛合しており、ウォーム３７とウォームホイール３８により、減速機構部３が構成されている。ウォームホイール３８は出力軸３９に取り付けられている。モータユニット１では、ブラシレスモータ１１の回転軸３１の回転は、減速機構部３にて減速されて出力軸３９に伝達され、出力軸３９が回転駆動される。

回転軸３１には、ロータ１３の回転を検知するためのセンサマグネット４１が取り付けられている。センサマグネット４１は、周方向に沿って複数極に着磁されている。フレーム１７内には、センサマグネット４１の磁極に対向する形で図示しないホールＩＣ（磁気検出素子）が配されている。ホールＩＣは、制御用ＩＣや抵抗、コンデンサ等の素子が搭載された制御部４の制御基板４２に配置されている。制御基板４２とブラシレスモータ１１は、フレーム１７の端子保持部１７ｅに圧入固定された中間ターミナル（基板接続端子）４３によって電気的に接続されている。

モータユニット１では、ステータコア１５にインシュレータ２４を取り付け、コイル１６が巻装・配線されたステータアッセンブリをフレーム１７に圧入すると、ブラシレスモータ１１のコイルターミナル２６（２６Ｕ,２６Ｖ,２６Ｗ）と各相の中間ターミナル４３の一端側が嵌合し電気的に接続される。制御基板４２は、両ターミナル２６,４３を接続した後、フレーム１７に組み付けられ、中間ターミナル４３の他端側と半田付け固定される。これにより、制御基板４２とブラシレスモータ１１が電気的に接続され、制御部４によるブラシレスモータ１１の駆動制御が可能となる。

ここで、本発明によるブラシレスモータ１１では、前述のように、マグネット３３をスキュー構造とするとともに、その表面磁束密度分布が奇数倍の高調波を含有した正弦波となるよう設定されている。そして、このような設定により、ティース２２の中央部又は先端部が無通電状態で最大１Ｔ以上の磁束密度を有する場合であっても、コギングトルクを小さく抑えている。図７（ａ）は、スキュー角θとコギングトルクとの関係、図７（ｂ）は、有効磁束とコギングトルクとの関係を、それぞれ、(1)ラジアル着磁の場合と、(2)同位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波、(3)逆位相の奇数倍高調波を含んだ歪み正弦波にて比較した説明図である。なお、ラジアル着磁では、径方向から波形にこだわらずに、均一に着磁を行っており、表面磁束密度は図８のような台形波となる。

図７（ａ）に示すように、コギングトルクは、ラジアル着磁の場合は、スキュー角θが理論値の６０°（電気角、以下同じ）のとき最小となっている。これに対し、奇数倍高調波を含有したものでは、同位相含有の場合はθ＝５０°、逆位相含有の場合はθ＝４０°にて最小値となる。但し、逆位相含有の場合は、θが５０°以上となると、ラジアル着磁の場合よりもコギングトルクが大きくなる。また、同位相含有と逆位相含有を比較すると、同位相含有の方がコギングトルクが小さく抑えられる。そして、同位相含有では、スキュー角θが３０°〜６０°の範囲で、ラジアル着磁の最小値とほぼ同等かそれ以下のコギングトルクとなる。したがって、コギングトルクとの関係では、同位相含有にてスキュー角θを３０°〜６０°、好ましくは５０°に設定することが好適である。

次に、図７（ｂ）を見ると、有効磁束は、スキュー角θが大きくなるに連れて、有効磁束も低下する。すなわち、スキュー角が大きいとモータの出力も低下し、同じ出力を得るには、モータ体格を大きくする必要が生じる。つまり、有効磁束の観点では、スキュー角は小さい方が好ましい。また、(1)〜(3)の比較では、ラジアル着磁と同位相含有はほぼ同等であるが、逆位相含有はラジアル着磁よりも有効磁束が小さくなる。したがって、図７（ｂ）から分かるように、有効磁束の観点では、同位相含有にてスキュー角θをなるべく小さくすることが好ましい。

そこで、図７（ａ）,（ｂ）の結果を総合すると、マグネット３３の表面磁束密度分布を、奇数倍の高調波を含んだ正弦波波形とし、スキュー角θを３０°〜６０°とすることにより、コギングトルクを低減させつつ、有効磁束を確保することができる。すなわち、スキュー角が理論上の最適スキュー角（６０°）よりも小さく設定され、スキュー角増大による磁束低下を抑えつつ、コギングトルクの低減が図られる。特に、同位相の奇数倍高調波を含んだ正弦波波形とし、スキュー角θを３０°〜６０°に設定することが好適であり、コギングトルク低減と有効磁束維持のバランスから見ると４０°〜６０°、好ましくは４０°〜５０°程度、特に５０°近傍が好ましい。これは、図４から分かるように、同位相含有の場合の表面磁束密度波形は、逆位相含有の場合に比して台形波に近く、正弦波的な滑らかな波形変化も有しているためと考えられる。

したがって、マグネット３３の表面磁束密度波形やスキュー角θを前述のような設定とすることにより、ティース２２の中央部又は先端部が無通電状態で最大１Ｔ以上の磁束密度を有する場合であっても、スキューによる磁束低下を抑えつつ、コギングトルクを小さく抑えることが可能となる。また、高調波成分を含有することを念頭に置いた設定のため、マグネット３３の着磁時のバラツキによって高調波成分が重畳された場合においても、その影響によりコギングが悪化してしまうのを抑えることが可能になる。

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、ロータ１３の外周にマグネット３３を配した表面磁石型（SPM：Surface Permanent Magnet）モータに本発明を適用した例を示したが、本発明は、埋込磁石型（IPM：Interior Permanent Magnet）モータに適用することも可能である。また、ロータ側のマグネットは、リング状のマグネットではなく、セグメントマグネットを使用することもできる、スキュー構造も、軸方向に複数段配したセグメントマグネットによるステップスキュー構造としても良い。この場合、セグメントマグネットは、各段ごとに周方向に所定角度ずつずらして配置される。

本発明は、サンルーフ用のモータ以外にも、例えば、パワーウインド、スライドドア、リアゲート、オイルポンプ等の駆動源として使用される車載モータや、家電製品等の各種電気製品、ロボットや電動機械等の産業機器などにも広く適用可能である。

１ モータユニット
２ モータ部
３ 減速機構部
４ 制御部
１１ ブラシレスモータ
１２ ステータ
１３ ロータ
１４ モータケース
１５ ステータコア
１６ コイル
１７ フレーム
１７ａ フランジ部
１７ｂ ネジ孔
１７ｃ 軸受保持部
１７ｄ 軸受保持部
１７ｅ 端子保持部
１８ カバー
１９ ネジ
２１ 継鉄部
２２ ティース
２３ スロット
２４ インシュレータ
２５ 巻線
２６ コイルターミナル
２６Ｕ,２６Ｖ,２６Ｗ コイルターミナル
３１ 回転軸
３２ ロータコア
３３ マグネット
３４ 軸受
３５ 軸受メタル
３６ 軸受メタル
３７ ウォーム
３８ ウォームホイール
３９ 出力軸
４１ センサマグネット
４２ 制御基板
４３ 中間ターミナル
Ｌ 磁極境界線
Ｘ ティース径方向中央部
Ｙ ティース先端部
θ スキュー角

Claims (3)

1. 複数のティースが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配置され、円筒形状のロータコアと、前記ロータコアの外周に固定されたリング状のマグネットを備えるロータと、を有し、
   前記マグネットは、極異方性着磁され、その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し、
   該ブラシレスモータの無負荷時における前記ティースの径方向中央部又は先端部の磁束密度の最大値が１Ｔ以上であるブラシレスモータであって、
   該ブラシレスモータのコギングトルクが、前記マグネットをラジアル着磁した場合よりも小さくなるよう、
   前記マグネットの表面磁束密度分布を、奇数倍の高調波を含有した正弦波波形とすると共に、前記高調波として、その第１番目の波形が前記表面磁束密度分布の１次基本波と同位相となった同位相の高調波を含有させ、
   前記マグネットの極数を２Ｐ、前記スロットの数をＴとしたとき、その最適値が、
   θ（電気角）＝Ｐ×（３６０°／２ＰとＴの最小公倍数）
   にて表される前記マグネットのスキュー角θを、電気角４０°〜６０°の範囲に設定した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、
   前記スキュー角θが、電気角４０°〜５０°の範囲であ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、
   前記同位相の高調波を含有させることにより、逆位相の前記高調波を含有させた場合に比して、前記表面磁束密度分布の波形を台形波に近付け該波形の変化を滑らかにすることを特徴とするブラシレスモータ。

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