(57)【要約】【課題】ステップスキュー構造のブラシレスモータにおいて、ステータの突極端部に形成された補助溝の効果を十分に発揮させ、コギングトルクの低減を図る。【解決手段】ブラシレスモータ１は、マグネット１６ａ〜１６ｃを周方向にずらしつつ軸方向に複数列配置したステップスキュー構造を有すると共に、そのステータコア５のティース先端には補助溝が形成されている。ステータコア５の両端部に、マグネット１６と対向することなく軸方向に張り出したオーバーハング部３１を形成し、ステータコア５の軸方向端面５ｄからステータコア内に流れ込む磁束を抑制する。これにより、各列のマグネットによるコギングを良好に相殺すると共に、補助溝による擬似スロット効果を想定通り発揮させ、コギングトルクの低減を図る。【選択図】図５
2010051150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットが軸方向に沿って複数列配置され、隣接列の前記マグネットの磁極が周方向にずれた位置に配置されるステップスキュー構造を有するロータと、
前記マグネットとエアギャップを介して対向するティースが周方向に沿って複数個形成されたステータコアを備えるステータと、
前記ステータコアの両端部に形成され、前記マグネットと対向することなく前記マグネットの軸方向端部から軸方向に沿って張り出すことにより、前記ステータコアの軸方向端面から該ステータコア内に流れ込む磁束を抑制するオーバーハング部と、を有することを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
請求項１記載のブラシレスモータにおいて、前記ステータコアの軸方向長Ｌｓと前記マグネットの軸方向長Ｌｍとの差が、前記マグネット軸方向長Ｌｍの寸法公差の最大値よりも大きいことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のブラシレスモータにおいて、前記オーバーハング部の軸方向の長さＸが０.５〜４.０ｍｍであることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、前記ティースは、その先端部に前記エアギャップに臨んで凹設された補助溝を有することを特徴とするブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スキュー構造を備えたブラシレスモータに関し、特に、ステップスキュー構造を有するブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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、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知られている。このようなスキュー構造のブラシレスモータでは、磁極用のマグネットとして、一般にリングマグネットが使用されており、マグネット自体にスキュー着磁を行うことによりコギング等の低減を図っている。また、コギングが問題となるブラシレスモータでは、ステータの突極端部に補助溝を設け、これにより、擬似的にスロット数を増やしてコギングを低減したり、インダクタンスや電機子反作用を低減したりすることも広く行われている。
【０００３】
一方、例えば、電動パワーステアリング装置用のブラシレスモータなどでは、小型化・高出力化の要請から、ロータマグネットとして、高磁束密度に着磁可能なセグメントマグネットの使用が増加している。ところが、セグメントマグネット（直角磁場タイプ）は、製法上スキュー着磁を行うことができないため、セグメントマグネットを使用したモータでは、スキュー構造を実現すべく、マグネットの段積みによるいわゆるステップスキューが行われている。また、リングマグネットを使用したモータにおいても、スキュー着磁を行うことなく、スキュー構造を実現するため、リングマグネットの段積みによるステップスキューも実施されている。
【０００４】
このステップスキュー構造のモータでは、各段のコギング波形を相殺させてコギング低減を図ることから、マグネットを軸方向に偶数段（通常２段）配列する場合が多い。特許文献１には、ロータマグネットが２段積みされた回転電機が示されており、各段のマグネットは、周方向に所定角度ずつずらして配置される。これにより、ロータの磁極が軸方向に沿って段階的にずれた形となり、２段積構造のステップスキューが形成される。なお、マグネットを奇数段配する構成も可能であり、その場合には、偶数段と奇数段で発生するコギングを合成し、相殺することによりコギングの低減を図っている。
【特許文献１】特開2003-32930号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、このようにマグネットを段積みしてスキュー構造を実現したモータでは、段数が増えると、その分、マグネットの軸方向長さの集積公差が大きくなる。このため、マグネット端部にて発生するコギングが装置毎にばらついてしまい、その結果、コギングトルクがうまく相殺されず、コギング低減効果が薄れてしまうという課題があった。また、ステータに補助溝を設けたモータでは、ステータコアとマグネットの軸方向長が同じか、段数増に伴いマグネットの方がステータコアよりも長くなっているため、軸方向端面からの磁束が回り込み、その影響により、補助溝による効果が十分に得られないという問題もあった。特に、段積みスキュー構造のモータでは、前述のように、マグネットの軸方向長が集積公差のためばらつき易く、補助溝の効果が十分に発揮されない場合があり、その対策が求められていた。
【０００６】
本発明の目的は、ステップスキュー構造のブラシレスモータにおいて、ステータの突極端部に形成された補助溝の効果を十分に発揮させ、コギングトルクの低減を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のブラシレスモータは、マグネットが軸方向に沿って複数列配置され、隣接列の前記マグネットの磁極が周方向にずれた位置に配置されるステップスキュー構造を有するロータと、前記マグネットとエアギャップを介して対向するティースが周方向に沿って複数個形成されたステータコアを備えるステータと、前記ステータコアの両端部に形成され、前記マグネットと対向することなく前記マグネットの軸方向端部から軸方向に沿って張り出すことにより、前記ステータコアの軸方向端面から該ステータコア内に流れ込む磁束を抑制するオーバーハング部と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、ステータコアの両端部にオーバーハング部を設けることにより、ステータコア端面からの磁束の流入が抑えられ、ステータ側への流入磁束が均等化し、各列のマグネットで発生するコギングが均一となる。このため、マグネット各列のコギングが相殺され、コギングトルク低減が図られる。また、同じ軸方向長のマグネットを用いたオーバーハング部のないブラシレスモータに比して有効磁束が増えるため、モータの出力増大も図られる。
【０００９】
前記ブラシレスモータにおいて、前記ステータコアの軸方向長Ｌｓと前記マグネットの軸方向長Ｌｍとの差を、前記マグネット軸方向長Ｌｍの寸法公差の最大値よりも大きく設定しても良く、これにより、各列のマグネットの軸方向長がばらつき、その公差が集積しても、オーバーハング部が確保される。また、前記オーバーハング部の軸方向の長さＸを０.５〜４.０ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜３ｍｍ、さらに好ましくは１ｍｍ程度に設定しても良い。
【００１０】
さらに、前記ティースの先端部に前記エアギャップに臨んで補助溝を凹設しても良い。本発明のブラシレスモータでは、オーバーハング部により、軸方向からの磁束の流れ込みが抑えられるため、このような補助溝による擬似スロット効果が想定通り発揮され、補助溝の効果を十分に得ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のブラシレスモータによれば、ステップスキュー構造を有し、ステータコアのティース先端に補助溝が形成されたブラシレスモータにて、ステータコアの両端部にオーバーハング部を形成し、ステータコアの軸方向端面からステータコア内に流れ込む磁束を抑制するようにしたので、ステータ側への流入磁束が均等化し、各列のマグネットで発生するコギングを均一化することができる。このため、マグネット各列のコギングを良好に相殺することができ、コギングトルクの低減を図ることが可能となる。また、ステータコアへの軸方向からの磁束の流れ込みを抑えられるため、例えば、補助溝を形成したブラシレスモータでは、補助溝による擬似スロット効果を想定通り発揮させることができ、補助溝の効果を十分に得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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は本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。図１に示すように、ブラシレスモータ１（以下、モータ１と略記する）は、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。モータ１は、例えば、コラムアシスト式の電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の動力源として使用され、自動車のステアリングシャフトに対し動作補助力を付与する。モータ１は、ステアリングシャフトに設けられた減速機構部に取り付けられ、モータ１の回転は、この減速機構部によってステアリングシャフトに減速されて伝達される。
【００１３】
ステータ２は、有底円筒形状のケース４と、ステータコア５、ステータコア５に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。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。
【００１４】
ステータコア５は、図２に示すように、複数個（ここでは９個）の分割コア９を周方向に集成した構成となっている。ステータコア５には、９個のティース５ａが径方向内側に向かって突設されている。ステータコア５の先端には、２ｎ個の補助溝５ｂが（ここでは２個）が形成されており、擬似スロット効果によるコギング低減が図られている。分割コア９は、電磁鋼板からなるコアピースを積層して形成され、その周囲には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられている。
【００１５】
インシュレータ１１の外側にはコイル６が巻装され、ステータコア５の一端側には、コイル６の端部６ａが引き出されている。ステータコア５の一端側には、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バスバーユニット７が取り付けられる。バスバーユニット７の周囲には複数個の給電用端子１２が径方向に突設されており、バスバーユニット７の取り付けに際し、コイル端部６ａは、この給電用端子１２と溶接される。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）設けられており、各コイル６はその相に対応した給電用端子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内に圧入固定される。
【００１６】
ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。図３はロータ３の構成を示す説明図、図４は図３の側面図（一部破断）である。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支持されている。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（１５ａ〜１５ｃ）が固定されており、その外周には、セグメントタイプのマグネット（永久磁石）１６（１６ａ〜１６ｃ）が取り付けられている。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、周方向に沿って６個×３列配置されており、モータ１は、６極９スロット（以下、６Ｐ９Ｓのように略記する）構成となっている。マグネット１６ａ〜１６ｃの外側には、有底円筒形状のマグネットカバー１８が取り付けられている。なお、図３は、マグネットカバー１８を外した状態のロータ３の構成を示している。
【００１７】
マグネット１６ａ〜１６ｃの外側には、合成樹脂製のマグネットホルダ１７ａ〜１７ｃが取り付けられている。図４に示すように、マグネット１６ａ〜１６ｃは、マグネットホルダ１７ａ〜１７ｃに保持される形でロータコア１５ａ〜１５ｃの外周に配される。モータ１では、マグネット１６ａ〜１６ｃは、各マグネットホルダ１７ａ〜１７ｃによって軸方向に３列配置されている。図３に示すように、各列のマグネット１６ａ〜１６ｃは、隣接列の同極性マグネットが、周方向に所定のステップ角θstep（隣接列のマグネット中心間角度）ずつずれた位置関係で取り付けられている。すなわち、モータ１のロータ３は、マグネット１６ａ〜１６ｃが３段積となったステップスキュー構造となっている。
【００１８】
マグネットホルダ１７ａの端部には、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。これに対し、レゾルバ２１のステータ（レゾルバステータ）２３は、金属製のレゾルバホルダ２４内に圧入され、合成樹脂製のレゾルバブラケット２５に収容されている。レゾルバホルダ２４は有底円筒形状に形成されており、ブラケット８の中央部に設けられたリブ２６の端部外周に軽圧入される。レゾルバブラケット２５とブラケット８には、金属製の雌ネジ部２７がインサートされており、雌ネジ部２７には、ブラケット８の外側から取付ネジ２８がねじ込まれる。これにより、レゾルバホルダ２４がブラケット８の内側に固定される。
【００１９】
ここで、従来のステップスキュー構造のブラシレスモータでは、ステータコア５とマグネット１６の軸方向長が同寸法に設定されているため、マグネットの段積みにより、両者の軸方向長に差違が生じる場合があった。特に、マグネット側がステータコア側よりも軸長が長くなると、前述のように、ステータコアの軸方向端面から磁束が回り込み、補助溝５ｂによる擬似スロット効果が減殺されるという問題があった。そこで、当該ブラシレスモータ１では、ステータコア端面からの磁束の回り込みを抑え、補助溝によるコギング低減効果を想定通り発揮させるべく、ステータコア５の軸方向長がマグネット１６のそれよりも長く設定されている。
【００２０】
図５は、本発明によるブラシレスモータ１のステータコア５とマグネット１６との関係を示す説明図である。なお、図５では、本発明の特徴を明確に示すため寸法関係が誇張されている。図５に示すように、ステータコア５の軸方向長Ｌｓは、マグネット１６ａ〜１６ｃの軸方向長Ｌｍよりも長くなっている（Ｌｓ＞Ｌｍ）。つまり、ステータコア５の両端部には、マグネット１６ａ,１６ｃに対向しないオーバーハング部３１（オーバーハング量Ｘ）が形成されている。ＬｓとＬｍとの差は、Ｌｍの寸法公差の最大値よりも大きく設定されており、各マグネット１６ａ〜１６ｃの軸方向長がばらつき、その公差が集積しても、オーバーハング部３１が確保されるようになっている。このようなオーバーハング部３１を設けると、マグネット１６からステータコア５に流れ込む磁束Ｆは、専らマグネット１６と直接対向する内周部５ｃからステータコア５に流入し、ステータコア５の端面５ｄからの磁束の流れ込みが抑えられる。
【００２１】
図６は、ステータコア５とマグネット１６の関係と、それぞれの状態での有効磁束量、コギングトルクの値を示す説明図、図７は、ステータ側のオーバーハング量Ｘ（片側）とコギングトルク及び有効磁束量との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、図６の(1)〜(4)の各サンプルにて実験を行い、図６下表のような結果を得た。この場合、図６(1)は、ステータコア５とマグネット１６が同寸法の場合、(2)は、ステータコア５よりマグネット１６の方が長い場合、(3)は、マグネット１６よりステータコア５の方が長くオーバーハング部３１が設けられている場合、(4)は、(2)のマグネット寸法にてステータコア５とマグネット１６を同寸法とした場合である。
【００２２】
図６に示すように、(2)の状態では、ステータコア端面５ｄからの磁束流入が大きく、(1),(4)に比べるとコギングトルクが４.５倍以上に増大している。すなわち、マグネット側の軸長がステータコア側よりも長くなると、コギングトルクが著しく増大する。このため、従来のブラシレスモータ（マグネットとステータコアが同寸法）では、マグネットの集積公差によりマグネット側が長くなると、コギングトルクが顕著に増加する。従って、マグネット寸法のばらつきにより、コギングトルクのばらつきも大きくなり、ステップスキューや補助溝によるコギング低減効果が薄れてしまう。
【００２３】
これに対し、(3)の状態では、ステータコア端面５ｄからの磁束流入が抑えられ、(1),(4)に比べてコギングトルクが低下する。従って、集積公差を考慮してもステータコア側がマグネット側よりも長くなるように設定しておけば、マグネット寸法がばらついてもコギングトルクのばらつきが抑えられる。すなわち、マグネット側の寸法のばらつきをオーバーハング部３１にて吸収でき、ステップスキューや補助溝によるコギング低減効果を想定通り得ることが可能となる。一方、有効磁束に関しては、マグネット軸長が大きくなれば有効磁束も増大するが（(1),(4)比較参照）、(3)の設定では、同じマグネット軸長の(1)よりも１２％程度有効磁束が多くなっており、マグネット軸長の長い(3)に近い水準の有効磁束が得られている。つまり、(3)の設定とすることにより、従来のような(1)の設定に比して、有効磁束の増大を図りつつ、コギングトルクを低減させることが可能となる。
【００２４】
そこで、(3)の設定に関し、オーバーハング量Ｘ（片側）の最適値を検討したところ、図７の結果から、オーバーハング量Ｘを０.５ｍｍ以上に設定するとコギングが安定し、なおかつ、出力に関係する有効磁束が高い値で安定し変化しないことが分かった。これは、マグネット１６の磁束を効率的にステータ側が吸収し、ステータ端面からの流入磁束の影響が抑えられていることを意味している。一方、オーバーハング量Ｘを４ｍｍより大きくしても、有効磁束やコギングに大きな効果は得られず、単にモータ体格が大きくなるだけとなる。
【００２５】
つまり、図７の矢示Ａのように、オーバーハング量Ｘを０.５ｍｍ以上にすると、ステータ端面流入磁束による影響が小さく、磁束も効率的に取り込め高出力化できる。これに対し、図７の矢示Ｂのように、オーバーハング量Ｘを０.５ｍｍ未満（特に、０ｍｍ未満）にすると、ステータ端面流入磁束による影響を受け、有効磁束量が小さくなり出力が低下する上に、コギングも大きくなる。従って、このような結果から、オーバーハング量Ｘは、０.５ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることが好ましい。また、体格を考慮すると、１ｍｍ以上３ｍｍ以下が好ましく、１ｍｍ程度に設定するのが最も好ましい。
【００２６】
このように、マグネット１６よりステータコア５を長くし、オーバーハング量Ｘを前述の範囲に設定すると、マグネット１６の軸方向長がばらつき、その公差が集積しても、オーバーハング部３１が確保される。このため、マグネットを複数段（２段以上）積んだステップスキュー構造のブラシレスモータにおいても、集積公差の影響を回避し、軸方向からの磁束の流れ込みを抑えることができる。従って、ステータ側への流入磁束が均等化し、各段で発生するコギングが均一となり、奇数段と偶数段のコギングが相殺され、コギングトルクを低減させることが可能となる。
【００２７】
また、軸方向からの磁束の流れ込みが小さく抑えられるため、補助溝５ｂによる擬似スロット効果も想定通り発揮され、補助溝の効果を十分に得ることも可能となる。さらに、図６(1),(3)を比較すれは明らかなように、同じ大きさのマグネットで比較すると有効磁束が増えるため、モータの出力増大も図られる。
【００２８】
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。
【００２９】
例えば、前述の実施例では、マグネット１６としてセグメントマグネットを用いたものを示したが、各列のマグネットにリングマグネットを使用し、リングマグネットの段積みによるステップスキュー構造のモータに本発明を適用しても良い。また、前述の実施例のロータ３は、マグネット１６ａ〜１６ｃの間に隙間のあるステップスキュー構造となっているが、各マグネット間に隙間のない構造のモータにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例であるブラシレスモータの断面図である。
【図２】図１のモータにおけるステータの構成を示す説明図である。
【図３】図１のモータにおけるロータの構成を示す説明図である。
【図４】図３のロータの側面図（一部破断）である。
【図５】本発明によるブラシレスモータのステータコアとマグネットとの関係を示す説明図である。
【図６】ステータコアとマグネットの関係と、それぞれの状態での有効磁束量、コギングトルクの値を示す説明図である。
【図７】ステータ側のオーバーハング量Ｘ（片側）とコギングトルク及び有効磁束量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１    ブラシレスモータ
２    ステータ
３    ロータ
４    ケース
５    ステータコア
５ａ  ティース
５ｂ  補助溝
５ｃ  内周部
５ｄ  軸方向端面
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    分割コア
１１    インシュレータ
１２    給電用端子
１３    ロータシャフト
１４ａ,１４ｂ    ベアリング
１５,１５ａ〜１５ｃ    ロータコア
１６,１６ａ〜１６ｃ    マグネット
１７ａ〜１７ｃ    マグネットホルダ
１８    マグネットカバー
２１    レゾルバ
２２    レゾルバステータ
２３    レゾルバロータ
２４    レゾルバホルダ
２５    レゾルバブラケット
２６    リブ
２７    雌ネジ部
２８    取付ネジ
３１    オーバーハング部
Ｆ      磁束
Ｌｍ    マグネット軸方向長
Ｌｓ    スタータコア軸方向長
Ｘ      オーバーハング量
θstep   ステップ角
【図１】
2010051150.tif 000003
【図２】
2010051150.tif 000004
【図３】
2010051150.tif 000005
【図４】
2010051150.tif 000006
【図５】
2010051150.tif 000007
【図６】
2010051150.tif 000008
【図７】
2010051150.tif 000009