JPWO2008050637A1

JPWO2008050637A1 - ブラシレスモータ

Info

Publication number: JPWO2008050637A1
Application number: JP2008540947A
Authority: JP
Inventors: 大久保　雅通; 雅通大久保
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2007-10-16
Publication date: 2010-02-25
Also published as: WO2008050637A1

Abstract

ブラシレスモータ３は、マグネット３３を備えたロータ２２と、マグネット３３とエアギャップ４５を介して対向する複数個のティース２７を備えたステータ２１とを有する。ティース２７の先端部には、エアギャップ４５に臨んで複数個の補助溝２０が形成されている。補助溝２０の溝幅Ｓと、隣接するティース２７間の開口部４６の開口幅Ｗとの比Ｗ／Ｓを０.９≦Ｗ／Ｓ≦１.１としつつ、開口部４６の中心Ｍ１と補助溝２０の中心Ｍ２との間の角度θｗと、隣接する補助溝２０の中心Ｍ２間の角度θｓの比θｓ／θｗを０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５の範囲に設定する。

Description

本発明は、電動パワーステアリング装置の駆動源などに使用されるブラシレスモータに関し、特に、インダクタンスとコギングトルクの双方の低減を図ったブラシレスモータに関する。

自動車等の操舵力補助のため、近年多くの車両にいわゆるパワーステアリング装置が装備されている。このようなパワーステアリング装置としては、近年、エンジン負荷軽減や重量低減等の観点から、電気式の動力操舵装置（いわゆる電動パワーステアリング装置、以下、適宜ＥＰＳと略記する）を搭載した車両が増大している。このようなＥＰＳの動力源としては、従来よりブラシ付きのモータが多く使用されているが、近年では、メンテナンス性に優れ、小型で高トルクが得られることから、ブラシレスモータの使用が増大している。

ところが、ブラシレスモータでは、ロータ側のマグネットとステータ側のコアティースとの間の吸引力により、いわゆるコギングトルクが生じやすい傾向がある。このようなコギングトルクは、騒音や振動の原因となるのみならず、ＥＰＳ用モータにおいては操舵感を悪化させる一因ともなる。そこで、従来より、コギングトルクを減少させるべく、ステータを多スロット化し、トルクムラを細分化する方式が知られている。しかしながら、スロットを無限に多くすることは不可能であり、多スロット化はモータサイズの面から自ずと限界がある。このため、コアティース先端の磁束が密となる部分に溝を設け、ティース先端部を二股状に分割形成し、これによって擬似的に多スロット化を図る方式など、種々のコギング対策が提案されている。

例えば、特許文献１のブラシレスモータでは、ティース先端に１／２スロットピッチの補助溝を設け、見かけ上スロットが倍増したような構成としている。また、特許文献２のブラシレスモータでは、ステータコアの両端にオーバーハング部を設け、ステータコア端面から流れ込む磁束を抑制する。これにより、ティース先端部からステータコアに流入する磁束量を増大させ、補助溝による疑似多スロット効果を向上させている。さらに、特許文献３の電動機では、回転子を２Ｐ、固定子を３Ｐ構造とし、ピッチ４θにて設けたティース先端に、スロット中心から角度θ，２θの間隔で補助溝を等間隔に配置してコギングを低減させる構成が示されている。
実公平7-47981号公報特開平10-42531号公報特開2004-194489号公報

しかしながら、前述のようにティース先端に補助溝を設ける構成では、実際には、ステータの加工歪等により、回転位置に応じたコギングの釣り合いがモータごとに変化し、モータ特性の安定化が図れないという問題があった。すなわち、加工歪のような一定化が困難な変動要因に基づきコギングが変化するため、コギングのロバスト性(安定性)が悪化し、却って、モータ特性が安定しないという問題があった。

一方、ブラシレスモータを集中巻き構成とすると、ティース間の間隔が狭くなる。このため、ティースからの漏れ磁束が多くなり、その分、インダクタンスが大きくなる傾向がある。インダクタンスが大きくなると、モータの電気的時定数が大きくなり、それに伴い、ステータコイルに印加する駆動電圧と、ステータコイルに流れる電流に位相差が生じる。このような位相差が生じると、ステータ−ロータ間の電気子反作用が大きくなり、高負荷時のトルクが低下する、いわゆるトルクダレが生じるおそれがある。

本発明の目的は、インダクタンス低減を図りつつ、補助溝によるコギングトルク低減等の効果を効率良く発揮させ得るブラシレスモータを提供することにある。

本発明のブラシレスモータは、マグネットを備えたロータと、前記マグネットとエアギャップを介して対向する複数個のティースを備えたステータとを有し、前記ティースの先端部に、前記エアギャップに臨んで複数個の補助溝を形成してなるブラシレスモータであって、前記補助溝の周方向に沿った幅Ｓと、隣接する前記ティースの先端部に形成された開口部の周方向に沿った幅Ｗとの比Ｗ／Ｓが、０.９≦Ｗ／Ｓ≦１.１であり、かつ、前記開口部の周方向に沿った中心Ｍ_１と、前記補助溝の周方向に沿った中心Ｍ_２との間の角度をθｗ、隣接する前記補助溝の前記中心Ｍ_２間の角度をθｓとしたとき、前記θｓと前記θｗの比θｓ／θｗが、０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５であることを特徴とする。

本発明にあっては、Ｗ／Ｓを０.９≦Ｗ／Ｓ≦１.１としつつ、θｓ／θｗを０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５の範囲に設定することにより、インダクタンスの低減を図りつつ、コギングを小さく抑えることができ、コギングのロバスト性改善や、高出力域における電機子反作用の影響低減を図ることができる。このため、例えば、当該ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いると、コギング低減により、ステアリングの戻り性が向上する。また、インダクタンス低減により、高負荷時のトルクダレが少なくなるため、アシスト力が安定し、操舵フィーリングの向上も図られる。

前記ブラシレスモータにおいて、前記θｓと前記θｗの比θｓ／θｗを、好ましくは、０.７≦θｓ／θｗ≦０.９に設定しても良い。また、前記ブラシレスモータを、前記マグネットが６極、前記ティース間に形成されたスロットの数が９個の６極９スロット構成としても良い。さらに、前記ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いても良い。

本発明のブラシレスモータによれば、マグネットを備えたロータと、マグネットとエアギャップを介して対向する複数個のティースを備えたステータとを有し、ティースの先端部にエアギャップに臨んで複数個の補助溝を形成したブラシレスモータにて、補助溝幅Ｓと、隣接するティース間の開口幅Ｗとの比Ｗ／Ｓを０.９≦Ｗ／Ｓ≦１.１としつつ、ティース間の開口部の中心Ｍ１と補助溝の中心Ｍ２との間の角度θｗと、隣接する補助溝中心Ｍ２間の角度θｓの比θｓ／θｗを０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５の範囲に設定することにより、インダクタンスの低減を図りつつ、コギングを小さく抑えることが可能となる。従って、コギングのロバスト性改善や、高出力域における電機子反作用の影響低減を図ることが可能となる。

また、例えば、当該ブラシレスモータを電動パワーステアリング装置の駆動源として用いた場合、コギング低減により、ステアリングの戻り性が向上し、スムーズなステアリング操作が可能となる。また、インダクタンス低減による高出力域での電機子反作用の影響減により、高負荷時のトルクダレが少なくなり、アシスト力が安定し、操舵フィーリングの向上を図ることが可能となる。

本発明によるブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。図１の電動パワーステアリング装置にて使用されているブラシレスモータの構成を示す軸方向の断面図である。図２のブラシレスモータの径方向の断面図である。ティースの構成を示す説明図である。６Ｐ９Ｓ構成のブラシレスモータにてＷ／Ｓ＝１とした場合の、θｓ／θｗとコギングトルク量（Ｎ・ｍ）及びインダクタンス（Ｈ）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１電動パワーステアリング装置
２ステアリングシャフト
３ブラシレスモータ
４ステアリングホイール
５ステアリングギヤボックス
６タイロッド
７車輪
８アシストモータ部
９減速機構部
１１トルクセンサ
１２制御装置
２０補助溝
２１ステータ
２２ロータ
２３ハウジング
２４ステータコア
２５巻線
２６継鉄部
２７ティース
２８スロット
２９給電配線
３０ブラケット
３１回転軸
３２ロータコア
３３マグネット
３４マグネットホルダ
３５ベアリング
３６ベアリング
３７スプライン部
４１レゾルバ
４２レゾルバステータ
４３レゾルバロータ
４４コイル
４５エアギャップ
４６開口部
Ｍ_１開口部中心
Ｍ_２補助溝中心
Ｓ溝幅
Ｗ開口幅
θｓＭ_１−Ｍ_２間の角度
θｗＭ_２間の角度

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明によるブラシレスモータを用いた電動パワーステアリング装置の構成を示す断面図である。図１の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）１は、ステアリングシャフト２に対し動作補助力を付与するコラムアシスト式の構成となっており、本発明によるブラシレスモータ３（以下、モータ３と略記する）が動力源として使用されている。

ステアリングシャフト２には、ステアリングホイール４が取り付けられている。ステアリングホイール４の操舵力は、ステアリングギヤボックス５内に配された図示しないピニオンとラック軸を介して、タイロッド６に伝達される。タイロッド６の両端には車輪７が接続されている。ステアリングホイール４の操作に伴ってタイロッド６が作動し、図示しないナックルアーム等を介して、車輪７が左右に転舵する。

ＥＰＳ１では、ステアリングシャフト２に、操舵力補助機構であるアシストモータ部８が設けられている。アシストモータ部８には、モータ３と共に、減速機構部９とトルクセンサ１１が設けられている。減速機構部９には、図示しないウォームとウォームホイールが配されている。モータ３の回転は、この減速機構部９によって、ステアリングシャフト２に減速されて伝達される。モータ３とトルクセンサ１１は、制御装置（ＥＣＵ）１２に接続されている。

ステアリングホイール４が操作され、ステアリングシャフト２回転すると、トルクセンサ１１が作動する。ＥＣＵ１２は、トルクセンサ１１の検出トルクに基づいて、モータ３に対し適宜電力を供給する。モータ３が作動すると、その回転が減速機構部９を介してステアリングシャフト２に伝達され操舵補助力が付与される。ステアリングシャフト２は、この操舵補助力と手動操舵力によって回転し、ステアリングギヤボックス５内のラック・アンド・ピニオン結合により、この回転運動がラック軸の直線運動に変換され、車輪７の転舵動作が行われる。

図２は、モータ３の構成を示す軸方向の断面図である。図２に示すように、モータ３は、外側にステータ２１、内側にロータ２２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２１は、ハウジング２３と、ハウジング２３の内周側に固定されたステータコア２４、及び、ステータコア２４に巻装された巻線２５とを備えた構成となっている。ハウジング２３は、鉄等にて有底筒状に形成されている。ハウジング２３の開口部には合成樹脂製のブラケット３０が取り付けられている。ステータコア２４は鋼板を多数積層した構成となっており、ステータコア２４の内周側には複数個のティースが突設されている。

図３は、図２のモータ３の径方向に沿った断面図である。図３に示すように、ステータコア２４は、リング状の継鉄部２６と、継鉄部２６から内側方向へ突出形成されたティース２７とから形成されている。ティース２７は９、個設けられている。各ティース２７の間にはスロット２８（９個）が形成され、モータ３は９スロット構成となっている。各ティース２７の先端部には、補助溝２０が形成されている。各ティース２７には巻線２５が集中巻にて巻装されている。巻線２５は、各スロット２８内に収容されている。巻線２５は、給電配線２９を介してバッテリ（図示せず）と接続されている。巻線２５に対しては、高調波成分を含んだ台形波形状の相電流（Ｕ,Ｖ,Ｗ）が供給される。

ロータ２２はステータ２１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、セグメントタイプのマグネット３３が配置されている。マグネット３３とティース２７との間には、エアギャップ４５が形成されている。マグネット３３とティース２７の先端部は、エアギャップ４５を介して対向している。補助溝２０は、このエアギャップ４５に臨んで形成されている。マグネット３３は、回転軸３１に固定されたマグネットホルダ３４に取り付けられており、周方向に沿って６個配置されている。すなわち、当該モータ３は、６極９スロット（６Ｐ９Ｓ）構成となっている。

本発明によるモータ３では、このような６Ｐ９Ｓ構成を採りつつ、補助溝２０の溝幅Ｓと、ティース２７の開口幅Ｗとの比Ｗ／Ｓが、０.９≦Ｗ／Ｓ≦１.１となるように設定されている。図４はティース２７の構成を示す説明図であり、図４に示すように、溝幅Ｓは、補助溝２０の周方向に沿った幅寸法、開口幅Ｗは、隣接するティース２７の先端部に形成された開口部４６の周方向に沿った間隙寸法である。また、モータ３では、従来のブラシレスモータとは異なり、補助溝２０がティース２７先端に等分に配置されておらず、Ｗ／Ｓを前述の範囲に設定しつつ、補助溝２０を次のような範囲に設けている。すなわち、開口部４６の中心Ｍ_１と、補助溝２０の中心Ｍ_２との間の角度をθｗ、隣接する補助溝２０の中心Ｍ_２間の角度をθｓとすると（図４参照）、０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５の関係が成り立つように補助溝２０が形成されている。

図５は、６Ｐ９Ｓ構成のブラシレスモータにてＷ／Ｓ＝１とした場合の、θｓ／θｗとコギングトルク量（Ｎ・ｍ）及びインダクタンス（Ｈ）との関係を示すグラフである。発明者らの実験によれば、θｓ／θｗとコギングトルク量やインダクタンス（以下、適宜コギングトルク等と略記する）との間には相関関係があり、θｓ／θｗが大きすぎても小さすぎても、コギングトルク等が増大することが分かった。この場合、θｓ／θｗが小さいと、ティース２７中心部の磁気抵抗が大きくなり、隣接するティースへの漏れ磁束が多くなってコギングトルク等が増大すると考えられる。一方、θｓ／θｗが大きいと、ティース２７先端の磁束が飽和気味となり、隣接するティースへ磁束が漏れやすくなってコギングトルク等が増大すると考えられる。

そこで、本発明のモータ３では、前述の関係を鑑み、θｓ／θｗを０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５の範囲（図４の枠Ａ）に設定した。図４に示すように、この範囲においてコギングトルク等は極小値を取り（θｓ／θｗ＝０.７７付近）、これにより、インダクタンスの低減を図りつつ、コギングを小さく抑えることが可能となる。このように、コギングが抑えられると、加工歪によるコギングの釣り合い変化も抑えられ、コギングのロバスト性も改善される。また、インダクタンスが抑えられると、高出力側の電機子反作用の影響が低減でき、高負荷時におけるトルクダレも低減できる。

回転軸３１の一端部は、ハウジング２３の底部に圧入されたベアリング３５に回転自在に支持されている。回転軸３１の他端部は、ブラケット３０に取り付けられたベアリング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２において左端部）には、スプライン部３７が形成されている。回転軸３１は、スプライン部３７に取り付けられた図示しないジョイント部材によって、減速機構部９のウォーム軸に接続される。ウォーム軸には、ウォームが形成されている。ウォームは、減速機構部９にて、ステアリングシャフト２に固定されたウォームホイールと噛合している。

ブラケット３０内には、ベアリング３６と、ロータ２２の回転を検知するレゾルバ４１が収容されている。レゾルバ４１は、ブラケット３０側に固定されたレゾルバステータ４２と、ロータ２２側に固定されたレゾルバロータ４３とから構成されている。レゾルバステータ４２にはコイル４４が巻装されており、励磁コイルと検出コイルが設けられている。レゾルバステータ４２の内側には、マグネットホルダ３４の左端部に固定されたレゾルバロータ４３が配置される。レゾルバロータ４３は、金属板を積層した構成となっており、三方向に凸部が形成されている。

回転軸３１が回転すると、レゾルバロータ４３もまたレゾルバステータ４２内にて回転する。レゾルバステータ４２の励磁コイルには高周波信号が付与されており、凸部の近接離反により検出コイルから出力される信号の位相が変化する。この検出信号と基準信号とを比較することにより、ロータ２２の回転位置が検出される。そして、ロータ２２の回転位置に基づき、巻線２５への電流が適宜切り替えられ、ロータ２２が回転駆動される。

このようなＥＰＳ１では、ステアリングホイール４が操作されてステアリングシャフト２が回転すると、この回転に応じた方向にラック軸が移動して転舵操作がなされる。この操作により、トルクセンサ１１が作動し、その検出トルクに応じて、図示しないバッテリから給電配線２９を介して巻線２５に電力が供給される。巻線２５に電力が供給されるとモータ３が作動し、回転軸３１とウォーム軸が回転する。ウォーム軸の回転は、ウォームホイールを介してステアリングシャフト２に伝達され、操舵力がアシストされる。

前述のように、本発明によるモータ３では、従来のブラシレスモータに比して、無通電時の脈動であるコギングトルクの低減が図られている。このため、ステアリングの戻り性が向上し、スムーズなステアリング操作が可能となる。例えば、右折時等にステアリングを切り、その後直進のためにステアリングを戻す場合には、一般に運転者はステアリングに力を加えない。この際、ＥＰＳは操舵力をアシストしない（通電していない）状態となっており、このときモータのコギングが大きいと、ステアリングが途中で止まってしまいスムーズに直進位置に戻らない可能性がある。その点、当該モータ３を用いたＥＰＳでは、ステアリングの戻りを妨げるコギングトルクが抑えられているため、ステアリングの戻り性が向上し、ステアリング操作もスムーズになる。また、モータ３では、コギングトルク低減と共にインダクタンスも抑えられるため、高負荷時のトルクダレが少なくなり、アシスト力が安定し、操舵フィーリングの悪化が抑えられる。

本発明は前記実施例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、前述の実施例では、θｓ／θｗを０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５の範囲に設定した例を示したが、図４から分かるように、コギングトルク等の低減のためには、θｓ／θｗを０.７≦θｓ／θｗ≦０.９の範囲（図４の枠Ｂ）に設定することがより好ましい。また、前述の実施例では、モータ３として６極９スロットのモータを例に挙げて説明したが、モータ構成はこれには限定されず、２極３スロットの整数倍のモータにも、本発明は適用可能である。

さらに、前述の実施例では、インナーロータ型のブラシレスモータを用いた例を示したが、本発明は、ステータの外側にロータを配したアウタロータ型のブラシレスモータにも適用可能である。加えて、前述の実施例では、本発明による制御方法をコラムアシスト式ＥＰＳのモータに適用した例を示したが、ラック軸と同軸状にモータを配したラックアシスト式や、ラック軸と噛合するピニオンギヤに補助力を付与するピニオンアシスト式のＥＰＳ用モータにも適用可能である。

Claims

マグネットを備えたロータと、前記マグネットとエアギャップを介して対向する複数個のティースを備えたステータとを有し、前記ティースの先端部に、前記エアギャップに臨んで複数個の補助溝を形成してなるブラシレスモータであって、
前記補助溝の周方向に沿った幅Ｓと、隣接する前記ティースの先端部に形成された開口部の周方向に沿った幅Ｗとの比Ｗ／Ｓが、０.９≦Ｗ／Ｓ≦１.１であり、かつ、
前記開口部の周方向に沿った中心Ｍ_１と、前記補助溝の周方向に沿った中心Ｍ_２との間の角度をθｗ、隣接する前記補助溝の前記中心Ｍ_２間の角度をθｓとしたとき、前記θｓと前記θｗの比θｓ／θｗが、０.６６≦θｓ／θｗ≦０.９６５であることを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記θｓと前記θｗの比θｓ／θｗが、０.７≦θｓ／θｗ≦０.９であることを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、前記マグネットが６極、前記ティース間に形成されたスロットの数が９個の６極９スロット構成であることを特徴とするブラシレスモータ。
請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリング装置の駆動源として使用されることを特徴とするブラシレスモータ。