JP2007011455A - モータ及びその設計補助プログラム及びその記録媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】 コギングトルク及びトルクリップルを共に抑えたモータ及び、そのようなモータを効率よく設計することが可能なモータの設計補助プログラム及びその記録媒体の提供を目的とする。
【解決手段】 本実施形態の設計補助プログラムＰＧ１は、セグメント磁石２０の幅Ｓｗとティース１３の先端幅Ｔｗとの比（幅比Ｗ）を徐々に自動変更し、コギングトルクが極小値になる第１の幅比Ｗ１と、トルクリップルが極小値になる第２の幅比Ｗ２とを自動演算する。そして、第１と第２の幅比Ｗ１，Ｗ２の間でかつコギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲を幅比推奨範囲として特定するので、特定された幅比推奨範囲の間の値になるように、セグメント磁石２０の幅Ｓｗからティース１３の先端幅Ｔｗを決定すれば、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えることができる。これにより、従来よりも効率よくモータの設計を行うことができる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えると共に、ステータの内周面に複数のティースを有するモータ及びその設計補助プログラム及びその記録媒体に関する。

従来より、モータの構造、寸法、材質等の各種パラメータに基づいてトルク解析を行うモータの設計補助プログラムが知られている。
モータ技術実用ハンドブック編集委員会編、「モータ技術実用ハンドブック」、初版、日刊工業新聞社、２００１年３月２３日、ｐ.３８１−３８３，３９９−４０２

しかしながら、従来の設計補助プログラムでは、コギングトルク及びトルクリップルを抑えるために、モータに係るパラメータを試行錯誤して入力する必要があり、コギングトルク及びトルクリップルを共に抑えたモータを効率よく設計することができなかった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、コギングトルク及びトルクリップルを共に抑えたモータ及び、そのようなモータを効率よく設計することが可能なモータの設計補助プログラム及びその記録媒体の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１の発明に係るモータの設計補助プログラムは、ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えかつ、ステータの内周面に複数のティースを備えたモータの設計を補助するためにコンピュータを、ティースの数及び先端幅、セグメント磁石の数及び幅、その他パラメータに基づいて、そのモータのコギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算するトルク演算手段と、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅との比である幅比を演算する幅比演算手段と、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅とのうち少なくとも何れか一方の値を自動変更して幅比を所定の範囲で徐々に変更し、変更した何れかの値をトルク演算手段に付与するパラメータ値自動変更手段と、パラメータ値自動変更手段が変更した幅比とトルク演算手段の演算結果に基づいて、幅比に対してコギングトルクが変化する第１のグラフと、幅比に対してトルクリップルが変化する第２のグラフとを、幅比を共有の座標軸にして表示するグラフ表示手段として機能させるところに特徴を有する。

請求項２の発明に係るモータの設計補助プログラムは、ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えかつ、ステータの内周面に複数のティースを備えたモータの設計を補助するためにコンピュータを、ティースの数及び先端幅、セグメント磁石の数及び幅、その他パラメータに基づいて、そのモータのコギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算するトルク演算手段と、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅との比である幅比を演算する幅比演算手段と、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅とのうち少なくとも何れか一方の値を自動変更して幅比を所定の範囲で徐々に変更し、変更した何れかの値をトルク演算手段を付与するパラメータ値自動変更手段と、トルク演算手段の演算結果に基づいて、コギングトルクが極小値になる第１の幅比と、トルクリップルが極小値になる第２の幅比とを決定する幅比限界決定手段として機能させるところに特徴を有する。

請求項３の発明は、請求項２に記載のモータの設計補助プログラムにおいて、第１の幅比と第２の幅比との間で、かつ、コギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲を幅比推奨範囲として特定する推奨幅比決定手段としてコンピュータを機能させるところに特徴を有する。

請求項４の発明は、請求項３に記載のモータの設計補助プログラムにおいて、所定の範囲の幅比に対して、コギングトルク及びトルクリップルの極小値が共に複数になる場合には、推奨幅比決定手段は、相互に最も近い第１と第２の幅比同士を組にして、複数組の第１と第２の幅比から複数の幅比推奨範囲を特定するところに特徴を有する。

請求項５の発明に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、請求項１乃至４の何れかに記載のモータの設計補助プログラムを記録したところに特徴を有する。

請求項６の発明に係るモータは、ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えると共に、ステータの内周面に複数のティースを有するモータにおいて、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅との比である幅比を、コギングトルクが極小値になる第１の幅比と、トルクリップルが極小値になる第２の幅比との間で、かつ、コギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲にしたところに特徴を有する。

［請求項１の発明］
請求項１の発明によれば、幅比に対してコギングトルクが変化する第１のグラフと、幅比に対してトルクリップルが変化する第２のグラフとを、幅比を共有の座標軸にして表示したので、それら第１と第２のグラフから、コギングトルクとトルクリップルとを共に極小値の近傍の値にするための幅比を容易に決定することできる。そして、幅比に基づいて、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅との何れか一方から他方を決定すれば、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えることができる。これにより、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えたモータを従来よりも効率よく設計することができる。

［請求項２の発明］
請求項２の発明によれば、コギングトルクが極小値になる第１の幅比と、トルクリップルが極小値になる第２の幅比とを自動演算するので、幅比が第１と第２の幅比の間の値になるように、ティースの先端幅とセグメント磁石の幅とを決定すれば、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えることができる。これにより、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えたモータを従来よりも効率よく設計することができる。

［請求項３の発明］
請求項３の発明によれば、推奨幅比決定手段が決定した幅比推奨範囲では、コギングトルク及びトルクリップルの極大値が共に含まれないので、その幅比推奨範囲内で幅比を決定し、その決定した幅比に基づいてティースの先端幅とセグメント磁石の幅とを決定すれば、コギングトルクとトルクリップルとを共に確実に抑えることができる。

［請求項４の発明］
請求項４の発明によれば、複数の幅比推奨範囲から幅比を特定することができるので、設計の自由度が上がる。

［請求項５の発明］
請求項５の発明のように、請求項１乃至４の何れかに記載のモータの設計補助プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、流通させることができる。

［請求項６の発明］
請求項６の発明によれば、コギングトルクとトルクリップルとが共に極小値の近傍の値となり、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えることができる。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１に示したモータ１０は、例えば、ＥＰＳ（電動パワーステアリング）用のブラシレスモータであって、筒形ハウジング１１の内側にステータ１２を備え、そのステータ１２の内側にロータ１７を回転可能に備えている。

ステータ１２は、両端が開放した筒形構造をなし、図３に示すように、複数の鋼板（具体的には、珪素鋼板）を積層してなる。また、ステータ１２は、周方向で複数（具体的には、例えば１２個）のコアピース１４に縦割りに分割され、これにより鋼板も複数の鋼板ピース３１に分割されている。

コアピース１４は、図１に示すように、ステータ１２の内側に向けてＴ字形のティース１３を張り出し形成した構造になっている。各ティース１３には、ステータ１２の径方向に沿って同じ幅をなして延びた脚部１５と、その脚部１５よりティース１３の先端側に形成されかつ脚部１５より幅広になった先端幅広部１６とが備えられている。具体的には、図２に示すように、先端幅広部１６は脚部１５の先端からステータ１２の中心に向かうに従って徐々に幅が広がった鳩尾形状をなしており、ステータ１２の中心を向いた面が、ステータ１２の中心と同心の円弧面１３Ａをなしている。そして、各ティース１３の主として脚部１５に電線（銅線）２５が巻回されて電磁コイルが構成され、これによりティース１３がモータ１０における磁極を構成するようになっている。

このように電線が巻回されたコアピース１４群は、互いに接合されてステータ１２を構成する。ステータ１２は、一端部において各コアピース１４の電線２５の端末部分が結線処理されてから筒形ハウジング１１内に例えば焼嵌される。

図１に示すように、ステータ１２の内部には、ロータ１７が配されている。図４に示すように、ロータ１７は、例えば複数の珪素鋼板を積層してなる回転円柱体１８の中心にロータシャフト１９を貫通した構造になっている。回転円柱体１８の外周面を周方向で均等分した位置には、複数（具体的には、例えば１４個）の界磁用のセグメント磁石２０が例えば接着剤にて固定されている。

各セグメント磁石２０は、焼結部材で構成された永久磁石であり、図２に示すように瓦状をなしている。具体的には、例えば、回転円柱体１８の外側に嵌合可能な筒体を複数に縦割り分割した瓦構造をなしている（図４を参照）。また、セグメント磁石２０は、モータ１０の軸方向から見た形状が、モータ１０の径方向より、周方向に長い扁平形状をなしている（図２を参照）。

より詳細には、図２に示すように、セグメント磁石２０は、ロータシャフト１９を中心とした同心の円弧面を内面２０Ａ及び外面２０Ｂとして備えている。また、セグメント磁石２０の両側面２０Ｃ，２０Ｃは互いに平行となっている。即ち、セグメント磁石２０の幅Ｓｗ（両側面２０Ｃ，２０Ｃ間の長さ）は、内面２０Ａと外面２０Ｂとの間でほぼ一定となっている。そして、上記ロータ１７をステータ１２の内部に配して筒形ハウジング１１の両端部を閉塞することで、モータ１０が完成される。

ところで、上記したモータ１０の設計は、以下に説明する設計補助プログラムＰＧ１をコンピュータで実行することで容易に行うことができる。設計補助プログラムＰＧ１をコンピュータで実行する場合には、例えば、コンピュータに備えた記憶装置（具体的には、例えば、磁気ディスク装置やＲＯＭ等）に設計補助プログラムＰＧ１を記憶しておき、コンピュータに備えたＣＰＵが記憶装置から設計補助プログラムＰＧ１読み込んで各種処理を実行するように構成すればよい。

設計補助プログラムＰＧ１を図５に示すフローチャートに基づいて説明すると、設計補助プログラムＰＧ１では、まず、モータ１０に関する各種パラメータを設定する（Ｓ１）。具体的には、例えば、ティース１３の数、セグメント磁石２０の数、セグメント磁石２０の幅Ｓｗ、セグメント磁石２０とティース１３先端部との間の空隙の寸法、ステータ１２及びセグメント磁石２０の電気的及び磁気的な特性（透磁率、導電率、保磁力等）、その他、モータ１０を構成する各部品の構造、寸法、材質等に関するパラメータを設定する。

次いで、ティース１３の先端幅広部１６（より詳細には、円弧面１３Ａ）における幅Ｔｗ（図２を参照）を設定する（Ｓ２）。ここでは、所定の数値範囲の下限値に設定する。そして、設定されたティース１３の先端幅Ｔｗが、所定の範囲の上限値Ｔｍａｘか否かをチェックし（Ｓ３）、上記した各種パラメータに基づいてコギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算する（Ｓ４）。

詳細には、各種パラメータに基づいて、公知な磁場解析法（例えば、磁気モーメント法、有限要素法、境界要素法等）により、ステータ１２及びセグメント磁石２０における磁束密度分布を解析し、その磁束密度分布から、公知なトルク解析法（例えば、マクスウェル応力法、節点力法等）によりコギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算する。また、ティース１３の先端幅Ｔｗとセグメント磁石２０の幅Ｓｗとの比（＝Ｔｗ／Ｓｗ、以下「幅比Ｗ」という）を演算し、コギングトルク及びトルクリップルの理論値をこの幅比Ｗに対応させて、コンピュータに備えた記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に記憶する。なお、ステップＳ４を実行したときにコンピュータが、本発明の「トルク演算手段」及び「幅比演算手段」として機能する。

コギングトルク及びトルクリップルの理論値を記憶したら、ティース１３の先端幅Ｔｗを所定値ｄＴｗだけ増加させて（Ｓ５）、再度、上記ステップＳ２〜Ｓ４の処理を実行する。即ち、幅比Ｗを徐々に大きくしながらその都度、コギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算し、演算結果を幅比Ｗに対応させてコンピュータに備えた記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に記憶する。以下、ティース１３の先端幅Ｔｗが所定の上限値Ｔｍａｘに達するまで、上記処理（ステップＳ２〜Ｓ５）を繰り返し実行する。なお、ステップＳ５，Ｓ２，Ｓ３の順に処理を実行したときにコンピュータが、本発明の「パラメータ値自動変更手段」として機能する。

ティース１３の先端幅Ｔｗが所定の上限値Ｔｍａｘに達したら（Ｓ３でＮＯ）、コギングトルクの理論値を、幅比Ｗの関数として近似した演算式Ｆｃ（Ｗ）を作成すると共に、トルクリップルの理論値を、幅比Ｗの関数として近似した演算式Ｆｒ（Ｗ）を作成する（Ｓ６）。

次いで、演算式Ｆｃ（Ｗ）からコギングトルクが極小値となる第１の幅比Ｗ１を求めると共に、演算式Ｆｒ（Ｗ）からトルクリップルが極小値となる第２の幅比Ｗ２を求める（Ｓ７）。なお、このステップＳ７を実行したときにコンピュータが、本発明の「幅比限界決定手段」として機能する。

そして、幅比Ｗ１と幅比Ｗ２の間の値でかつコギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲を幅比推奨範囲として特定する（Ｓ８）。なお、ステップＳ８を実行したときにコンピュータが、本発明の「推奨幅比決定手段」として機能する。

このように、本実施形態の設計補助プログラムＰＧ１は、セグメント磁石２０の幅Ｓｗを一定値に固定した状態でティース１３の先端幅Ｔｗを自動変更して幅比Ｗを徐々に変化させ、コギングトルクが極小値になる第１の幅比Ｗ１と、トルクリップルが極小値になる第２の幅比Ｗ２とを自動演算する。そして、第１と第２の幅比Ｗ１，Ｗ２の間でかつコギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲を幅比推奨範囲として特定するので、特定された幅比推奨範囲の間の値になるように、セグメント磁石２０の幅Ｓｗからティース１３の先端幅Ｔｗを決定すれば、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えることができる。これにより、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えたモータを従来よりも効率よく設計することができる。

ここで、第１の幅比Ｗ１と第２の幅比Ｗ２とが共に複数ある場合には、相互に最も近い第１の幅比Ｗ１及び第２の幅比Ｗ２同士を組にして、第１と第２の幅比Ｗ１，Ｗ２の間の値でかつコギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲を幅比推奨範囲として特定すればよい。このようにすれば、複数の幅比推奨範囲の中から幅比Ｗを決定することができ、設計の自由度が上がる。

［第２実施形態］
この第２実施形態は、設計補助プログラムＰＧ１における処理の一部が上記第１実施形態と異なる。その他の構成については上記第１実施形態と同じであるため、同じ構成については、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態の設計補助プログラムＰＧ２は、図６に示されており、ステップ１〜Ｓ５の処理は、上記第１実施形態と同一である。即ち、ティース１３の先端幅Ｔｗを所定の範囲の上限値Ｔｍａｘに達するまで徐々に変化させ、その都度、コギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算して演算結果を幅比Ｗに対応させてコンピュータに備えた記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に記憶する。

ティース１３の先端幅Ｔｗが所定の数値範囲の上限値Ｔｍａｘに達したら（Ｓ３でＮＯ）、幅比Ｗに対してコギングトルクが変化する第１のグラフＧ１と、幅比Ｗに対してトルクリップルが変化する第２のグラフＧ２を作成する（Ｓ１６）。そして、それら第１のグラフＧ１と第２のグラフＧ２を共有の座標軸にして図示しない表示装置に表示する（Ｓ１７）。なお、このステップＳ１７を実行したときにコンピュータが、本発明の「グラフ表示手段」として機能する。

図７には、表示装置で表示された第１及び第２のグラフＧ１，Ｇ２の概念図が示されており、このグラフＧ１，Ｇ２からコギングトルクが極小値となる第１の幅比Ｗ１とトルクリップルが極小値となる第２の幅比Ｗ２とを容易に求めることができる。

これにより、コギングトルクとトルクリップルとを共に極小値の近傍の値にするための幅比（第１の幅比Ｗ１と第２の幅比Ｗ２の間でかつコギングトルク及びトルクリップルが共に極大値にならない範囲、図７におけるＨ１，Ｈ２の範囲）を容易に決定することでき、この幅比となるように、セグメント磁石２０の幅Ｓｗからティース１３の先端幅Ｔｗを決定すれば、コギングトルクとトルクリップルとを共に抑えることができる。

［他の実施形態］
本発明は、前記第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）前記第１及び第２実施形態では、セグメント磁石２０の幅Ｓｗを一定値に固定しておいて、ティース１３の先端幅Ｔｗを徐々に変更していたが、その逆で、ティース１３の先端幅Ｔｗを一定値に固定しておいて、セグメント磁石２０の幅Ｓｗを徐々に変更してもよい。

（２）前記第１実施形態では、複数の幅比推奨範囲を特定可能としていたが、それら複数の幅比推奨範囲に、第１の幅比Ｗ１におけるコギングトルクの極小値と第２の幅比Ｗ２におけるトルクリップルの極小値とに基づく推奨順位を付けるようにしてもよい。

（３）前記第１及び第２実施形態では、モータの設計補助プログラムＰＧ１，ＰＧ２を、コンピュータに備えた記憶装置（磁気ディスク装置、ＲＯＭ等）に記憶していたが、コンピュータで読み取り可能な記録媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ，フレキシブルディスク等）に記録してもよい。

（４）本発明の技術的範囲には含まれないが、本発明の設計補助プログラムＰＧ１，ＰＧ２を、所謂、アウターロータ形のブラシレスモータの設計に用いてもよい。また、ブラシレスモータ以外の他のモータの設計に用いてもよい。

本発明の第１実施形態に係るモータの分解斜視図 モータの平断面図 ステータコアの斜視図 ロータの斜視図 設計補助プログラムを示すフローチャート 第２実施形態に係る設計補助プログラムを示すフローチャート 表示装置における表示の概念図

符号の説明

１０ モータ
１２ ステータ
１３ ティース
１７ ロータ
２０ セグメント磁石
Ｇ１ 第１のグラフ
Ｇ２ 第２のグラフ
ＰＧ１，ＰＧ２ 設計補助プログラム
Ｓｗ セグメント磁石の幅
Ｔｗ ティースの先端幅
Ｗ 幅比
Ｗ１ 第１の幅比
Ｗ２ 第２の幅比

Claims (6)

1. ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えかつ、ステータの内周面に複数のティースを備えたモータの設計を補助するためにコンピュータを、
   前記ティースの数及び先端幅、前記セグメント磁石の数及び幅、その他パラメータに基づいて、そのモータのコギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算するトルク演算手段と、
   前記ティースの先端幅と前記セグメント磁石の幅との比である幅比を演算する幅比演算手段と、
   前記ティースの先端幅と前記セグメント磁石の幅とのうち少なくとも何れか一方の値を自動変更して前記幅比を所定の範囲で徐々に変更し、変更した何れかの値を前記トルク演算手段に付与するパラメータ値自動変更手段と、
   前記パラメータ値自動変更手段が変更した幅比と前記トルク演算手段の演算結果に基づいて、前記幅比に対して前記コギングトルクが変化する第１のグラフと、前記幅比に対して前記トルクリップルが変化する第２のグラフとを、前記幅比を共有の座標軸にして表示するグラフ表示手段として機能させるためのモータの設計補助プログラム。
2. ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えかつ、ステータの内周面に複数のティースを備えたモータの設計を補助するためにコンピュータを、
   前記ティースの数及び先端幅、前記セグメント磁石の数及び幅、その他パラメータに基づいて、そのモータのコギングトルク及びトルクリップルの理論値を演算するトルク演算手段と、
   前記ティースの先端幅と前記セグメント磁石の幅との比である幅比を演算する幅比演算手段と、
   前記ティースの先端幅と前記セグメント磁石の幅とのうち少なくとも何れか一方の値を自動変更して前記幅比を所定の範囲で徐々に変更し、変更した何れかの値を前記トルク演算手段を付与するパラメータ値自動変更手段と、
   前記トルク演算手段の演算結果に基づいて、前記コギングトルクが極小値になる第１の前記幅比と、前記トルクリップルが極小値になる第２の前記幅比とを決定する幅比限界決定手段として機能させるためのモータの設計補助プログラム。
3. 前記第１の幅比と前記第２の幅比との間で、かつ、前記コギングトルク及び前記トルクリップルが共に極大値にならない範囲を幅比推奨範囲として特定する推奨幅比決定手段として前記コンピュータを機能させることを特徴とする請求項２に記載のモータの設計補助プログラム。
4. 前記所定の範囲の幅比に対して、前記コギングトルク及び前記トルクリップルの極小値が共に複数になる場合には、前記推奨幅比決定手段は、相互に最も近い前記第１と第２の幅比同士を組にして、複数組の前記第１と第２の幅比から複数の幅比推奨範囲を特定することを特徴とする請求項３に記載のモータの設計補助プログラム。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のモータの設計補助プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
6. ロータの外周面に複数のセグメント磁石を備えると共に、ステータの内周面に複数のティースを有するモータにおいて、
   前記ティースの先端幅と前記セグメント磁石の幅との比である幅比を、コギングトルクが極小値になる第１の前記幅比と、トルクリップルが極小値になる第２の前記幅比との間で、かつ、前記コギングトルク及び前記トルクリップルが共に極大値にならない範囲にしたことを特徴とするモータ。