(57)【要約】【課題】  ロータ磁石の寸法精度のバラツキによってリップルトルクが大きくなってしまうことなく、リップル率を低減することが可能なブラシレスモータを提供する。【解決手段】  外周面に複数のロータマグネット２３が配設されたロータ２０と、ロータマグネット２３の外側面２３ｄと対向するように放射状に配設されたティース１３に巻線１４が巻装されたステータ１０と、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータ１であって、磁極数が２０、ティース１３の数が１８、ステータ１０の外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定され、ロータマグネット２３は、磁極幅Ｍが５．１３５ｍｍから５．７７７ｍｍの範囲に設定されると共に、ステータ１０と対向する外側面２３ｄの幅方向の中央部が径方向外側に突出するように外側面２３ｄの偏心半径Ｎが１０．８ｍｍから２４．７ｍｍの範囲に設定された。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周面に複数のロータマグネットが配設されたロータと、前記ロータマグネットの外周面と対向するように放射状に配設されたティースに巻線が巻装されたステータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータであって、
前記ロータは磁極数が２０であり、前記ステータはその外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に前記ティースの数が１８であり、
前記ロータマグネットは、周方向の幅が５．１３５ｍｍから５．７７７ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍから２４．７ｍｍの範囲に設定されてなることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項２】
外周面に複数のロータマグネットが配設されたロータと、前記ロータマグネットの外周面と対向するように放射状に配設されたティースに巻線が巻装されたステータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータであって、
前記ロータは磁極数が１６であり、前記ステータはその外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に前記ティースの数が１８であり、
前記ロータマグネットは、周方向の幅が５．６２４ｍｍから６．３２７ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍから２１．６５ｍｍの範囲に設定されてなることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項３】
外周面に複数のロータマグネットが配設されたロータと、前記ロータマグネットの外周面と対向するように放射状に配設されたティースに巻線が巻装されたステータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータであって、
前記ロータは磁極数が２０，前記ステータは前記ティースの数が１８に設定され、
前記ステータはその外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ロータはその外径が４５．９８ｍｍから５７．０ｍｍの範囲に設定されたことを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項４】
前記ロータマグネットは、周方向の幅が略６．４１９ｍｍに設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍに設定されてなることを特徴とする請求項３に記載のブラシレスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はブラシレスモータに係り、特にインナーロータ型でトルクリップルを低減するのに有効なブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスモータは、駆動電流を流していないときのコギングトルク、駆動電流を流しているときに発生するトルクリップルが小さいことが望ましく、従来、コギングトルク等を低減する技術が種々提案されている。コギングトルクは、概略、モータの各磁極の切り替わり位置で発生する。そして、コギングトルクは、１回転につき突極（ティース）数と磁極数との最小公倍数だけ発生する脈動トルクであり、その大きさは脈動数に反比例する。したがって、モータを多極・多スロットに構成して上述の最小公倍数を大きくすることにより、コギングトルクやリップルトルクを小さくすることができる。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載のブラシレスモータでは、ロータはその内周面に１０個あるいは１４個の磁石を貼り合わせた構成であり、ステータは１２のティースを有する構成である。この特許文献１のブラシレスモータでは、例えば磁極数を１０とした場合には、１回転につき６０の脈動が発生することになり、コギングトルクを小さく抑えることができる。
さらに特許文献１では、ロータの極ピッチと磁石の周方向長さとの比を所定値に設定することによってコギングトルクを低減することが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１３４８９３号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のブラシレスモータのように、ロータの極ピッチと磁石の周方向長さとの比を所定値に設定し、所定の設定値に形成されたロータ磁石をロータ本体に取り付ける場合、磁石の寸法精度が要求される。このためロータ磁石の寸法にバラツキがあるとコギングトルクおよびリップルトルクが大きくなってしまうおそれがあった。
また、モータとして有効に機能させるためには、高トルクでの駆動を確保する必要があり、コギングトルクおよびリップルトルクを低減させることに伴って、モータ効率が悪化してしまうことを防ぐ必要があった。
本発明の目的は、上記課題に鑑み、ロータ磁石の寸法精度のバラツキによってリップルトルクが大きくなってしまうことなくリップル率を低減すると共に、高トルクを確保することが可能なブラシレスモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題は、本発明によれば、外周面に複数のロータマグネットが配設されたロータと、前記ロータマグネットの外周面と対向するように放射状に配設されたティースに巻線が巻装されたステータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータであって、前記ロータは磁極数が２０であり、前記ステータはその外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に前記ティースの数が１８であり、前記ロータマグネットは、周方向の幅が５．１３５ｍｍから５．７７７ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍから２４．７ｍｍの範囲に設定されてなることにより解決される。
【０００７】
このように本発明のインナーロータ型のブラシレスモータは、極数が２０、ティースの数（スロット数）が１８であり、ステータの外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されたものである。そして、ロータマグネットは、周方向の幅が５．１３５ｍｍから５．７７７ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍから２４．７ｍｍの範囲に設定される。このように極数，スロット数およびロータマグネットの形状を設定することにより、以下の実施例に示されるようにリップル率を極めて低減したブラシレスモータを構成することができる。
【０００８】
また、前記課題は、本発明によれば、外周面に複数のロータマグネットが配設されたロータと、前記ロータマグネットの外周面と対向するように放射状に配設されたティースに巻線が巻装されたステータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータであって、前記ロータは磁極数が１６であり、前記ステータはその外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に前記ティースの数が１８であり、前記ロータマグネットは、周方向の幅が５．６２４ｍｍから６．３２７ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍから２１．６５ｍｍの範囲に設定されてなることにより解決される。
【０００９】
このように本発明のインナーロータ型のブラシレスモータは、極数が１６、ティースの数（スロット数）が１８であり、ステータの外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されたものである。そして、ロータマグネットは、周方向の幅が５．６２４ｍｍから６．３２７ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍから２１．６５ｍｍの範囲に設定される。このように極数，スロット数およびロータマグネットの形状を設定することにより、以下の実施例に示されるようにリップル率を極めて低減したブラシレスモータを構成することができる。
【００１０】
また、前記課題は、外周面に複数のロータマグネットが配設されたロータと、前記ロータマグネットの外周面と対向するように放射状に配設されたティースに巻線が巻装されたステータと、を備えたインナーロータ型のブラシレスモータであって、前記ロータは磁極数が２０，前記ステータは前記ティースの数が１８に設定され、前記ステータはその外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に、前記ロータはその外径が４５．９８ｍｍから５７．０ｍｍの範囲に設定されることにより解決される。
【００１１】
このように本発明のインナーロータ型のブラシレスモータは、極数が２０、ティースの数（スロット数）が１８であり、ステータの外径が７０ｍｍから８０ｍｍの範囲に設定されると共に、ロータの外径が４５．９８ｍｍから５７．０ｍｍの範囲に設定されたものである。このように極数，スロット数およびステータおよびロータの外径を設定することにより、以下の実施例に示されるようにリップル率を低減すると共に、高トルク値を確保できるブラシレスモータを構成することができる。
【００１２】
また、前記ロータマグネットは、周方向の幅が略６．４１９ｍｍに設定されると共に、前記ステータと対向する外周面の幅方向の中央部が径方向外側に突出するように前記外周面の半径が１０．８ｍｍに設定されてなると好適である。このようにロータマグネットの形状を設定することにより、リップル率を低減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のインナーロータ型のブラシレスモータによれば、ロータマグネットの周方向の幅、および、外周面の周方向の中央部が径方向外側に突出する曲面形状の半径を所定の範囲に設定することにより、リップル率を極めて低減することができる。また、このとき、ロータの外径を適切な範囲に設定することにより、高トルクなモータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する部材、配置等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。
図１〜図６は本発明の一実施形態に係るものであり、図１はブラシレスモータの構成を示す説明図、図２は図１のブラシレスモータのステータおよびロータの説明図、図３は図１のブラシレスモータのステータおよびロータの要部説明図、図４および図５はブラシレスモータのリップル率を表すグラフ、図６はブラシレスモータのロータ外径に対するトルクを表すグラフである。
【００１５】
本発明のブラシレスモータを電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）のブラシレスモータ１（以下、「モータ１」という）に適用した一実施形態について説明する。図１は、本例のモータ１の構成を示す説明図である。モータ１は、インナーロータ型であって、ステータ１０と、ステータ１０内で回転可能に支承されたロータ２０と、ステータ１０およびロータ２０を内部に収容するハウジング３０を主要構成要素としている。モータ１は、運転者がハンドルを操作すると操舵角や走行速度等に基づいて制御駆動され、ロータ２０のシャフト２１に連係する不図示の減速ギアを介してステアリングコラム軸に対し操舵補助力を供給するようになっている。
【００１６】
本例のステータ１０は、有底円筒形状のハウジング本体３１内周側に固定されたステータコア１１と、ステータコア１１のアウターコア１２から径方向内側に突出するティース１３にコイルが巻装された巻線１４を備えている。本例のステータ１０では、１８のティース１３がアウターコア１２の周方向に略等角度間隔に配置され、アウターコア１２から中心へ向けて放射状に突出している。
本例のロータ２０は、シャフト２１と、磁性材料で形成されシャフト２１に取り付けられた円環状のスペーサ２２と、スペーサ２２の外周面に取り付けられたロータマグネット２３とを備えている。本例のロータ２０では、２０のロータマグネット２３が、スペーサ２２の外周面に略等角度間隔で幅方向に互いに離間するように配設されている。また、周方向に隣り合うロータマグネット２３は、磁束方向が径方向に対して反対となるように着磁されている。また、本例のロータマグネット２３は、ネオジウム系磁石であり磁束密度が１．２８Ｔとなるように着磁されている。
【００１７】
本例のハウジング３０は、有底円筒形状のハウジング本体３１と、ハウジング本体３１の開口を塞ぐエンドハウジング３２と、シャフト２１を回転可能に軸支する軸受３３，３４とを有している。軸受３３は、ハウジング本体３１の底部に形成された膨出部に固定されており、軸受３４は、エンドハウジング３２に固定されている。
また、ハウジング本体３１内のエンドハウジング３２側には、基板３５が配設されている。基板３５にはロータ２０の回転位置を検出するためのホールセンサ３６が配設されており、ロータマグネット２３の磁極の変化を捉えることができるようになっている。すなわち、本例のモータ１では、ロータマグネット２３による主磁束を用いてホールセンサ３６の検出信号に基づいて巻線１４への電流が適宜切り替えられ、ロータ２０を回転駆動させる回転磁界が形成される。
【００１８】
図２は、モータ１のステータ１０およびロータ２０を軸方向から見た説明図である。本例のステータ１０は、外径寸法Ｄ（ｍｍ）に設定されている。なお、ティース１３の突出長さは、ロータ２０の外径Ｒ（ｍｍ）に応じて適宜設定される。すなわち、ティース１３の突出長さは、ステータ１０とロータ２０との間に所定の隙間を設けるように設定される。また、ロータ２０の外径Ｒは、ロータマグネット２３の幅と極数によって適宜設定される。
【００１９】
図３に示すように、本例のロータマグネット２３は、幅方向（周方向）に対称に形成されており、スペーサ２２と当接する内周面２３ａの幅方向の両端部から略径方向外側に向けて側面２３ｂ，２３ｃが延出し、側面２３ｂ，２３ｃの径方向外側の端部を繋ぐ外側面２３ｄは所定の曲率の曲面に形成されている。本例のロータマグネット２３では、側面２３ｂ，２３ｃは略平行に形成されている。
また、外側面２３ｄは、図３に示すように、半径（偏心半径）Ｎ（ｍｍ）の曲面に設定されている。図中、点Ｐはこの曲面の中心を表している。この半径Ｎは、ロータマグネット２３の最大外周面（最も径方向外側に位置する面または辺）までの半径ｄ（＝Ｒ／２）（ｍｍ）よりも小さく設定されている。図中、点Ｏは軸中心である。すなわち、ロータマグネット２３は、幅方向の中央部が径方向外側に突出するように形成されている。また、本例のロータマグネット２３は、周方向の磁極幅がＭ（ｍｍ）に設定されている。
【００２０】
表１に本例のモータ１（磁極数：２０、スロット数：１８）において、磁極幅Ｍ，偏心半径Ｎの組合せを変更した場合（実施例１〜９）のトルクおよびリップル率を示す。なお、リップル率は、所定の電流値におけるトルクの最大値と最小値の差を最大値で除した値である。表１では単位をパーセントで表示している。図４は表１をグラフ表示したものであり、横軸はリップル率（％）、縦軸は各種の寸法に組合せたモータ１の別（実施例１〜９）を表している。また、表１の各実施例では、ステータ１０の外径寸法Ｄを７６ｍｍに設定している。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
表１に示した組合せ（実施例１〜９）では、同一の磁極幅Ｍ（５．１３５ｍｍ，５．７７７ｍｍ，６．４１９ｍｍ）に対し、それぞれ偏心半径Ｎを３種（１０．８０ｍｍ，１７．７５ｍｍ，２４．７０ｍｍ）に設定している。なお、偏心半径Ｎが２４．７０ｍｍのとき、偏心半径Ｎと半径ｄとが略一致する。
図４等から磁極幅Ｍが少なくとも５．７７７ｍｍ以下ではリップル率が０．９％未満と良好であるが、磁極幅Ｍが６．４１９ｍｍになるとリップル率が１％を超えてしまうことが分かる。また、磁極幅Ｍが同一のときには偏心半径Ｎの小さい方が、リップル率が小さくなる。このようにモータ１を２０極１８スロットに設定した場合、磁極幅Ｍが５．１３５ｍｍ〜５．７７７ｍｍの範囲内、且つ、偏心半径Ｎが１０．８ｍｍ〜２４．７ｍｍの範囲内であるとき、リップル率が０．９％以下と良好な数値を示すことが確認された。このようにロータマグネット２３の形状を設定すると、トルクむらが抑制されリップル率を低減することができる。
また、同様にステータ１０の外径寸法Ｄを７０ｍｍ，８０ｍｍにそれぞれ設定した場合にも、磁極幅Ｍが５．１３５ｍｍ〜５．７７７ｍｍの範囲内、且つ、偏心半径Ｎが１０．８ｍｍ〜２４．７ｍｍの範囲内であるときに、リップル率を０．９％以下とすることができることが確認された。
【００２３】
次に、磁極数を１６極、スロット数を１８に設定したモータ１において、磁極幅Ｍと偏心半径Ｎの組合せを変更した例（実施例１０〜１８）について説明する。本例では、磁極数が１６であるので、ロータマグネット２３は約２２．５度間隔であって、周方向に隣り合うロータマグネット２３の磁束方向が反対となるように配設される。
表２は、本例（実施例１０〜１８）における磁極幅Ｍと偏心半径Ｎの組合せと、そのときのトルクおよびリップル率を示している。また、図５は表２をグラフ表示したものである。また、表２の各実施例では、表１の各実施例と同様にステータ１０の外径寸法Ｄを７６ｍｍに設定している。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
表２に示した組合せ（実施例１０〜１８）では、同一の磁極幅Ｍ（５．６２４ｍｍ，６．３２７ｍｍ，７．０３０ｍｍ）に対し、それぞれ偏心半径Ｎを３種（１０．８０ｍｍ，１６．２３ｍｍ，２１．６５ｍｍ）に設定している。
図５等から磁極幅Ｍが少なくとも６．３２７ｍｍ以下ではリップル率が０．６％未満と良好であるが、磁極幅Ｍが６．４１９ｍｍになるとリップル率が１％を超えてしまうことが分かる。また、このとき偏心半径Ｎが小さい方がやはりリップル率が小さくなる傾向がある。このようにモータ１を１６極１８スロットに設定した場合、磁極幅Ｍが５．６２４ｍｍ〜６．３２７ｍｍの範囲内、且つ、偏心半径Ｎが１０．８０ｍｍ〜２１．６５ｍｍの範囲内であるとき、リップル率が０．６％以下と良好な数値を示すことが確認された。このようにロータマグネット２３の形状を設定すると、トルクむらが抑制されリップル率を低減することができる。
また、同様にステータ１０の外径寸法Ｄを７０ｍｍ，８０ｍｍにそれぞれ設定した場合にも、磁極幅Ｍが５．６２４ｍｍ〜６．３２７ｍｍの範囲内、且つ、偏心半径Ｎが１０．８０ｍｍ〜２１．６５ｍｍの範囲内であるときに、リップル率を１．０％以下とすることができることが確認された。
【００２６】
以上のように、磁極幅Ｍと偏心半径Ｎとの組合せを適宜の範囲に設定することによって、モータ１の作動時にトルクむらをきわめて低減することができる。また、このようにリップル率が低減されたモータ１を例えばＥＰＳに適用することにより、運転者によりスムーズな操作感を与えることができる。
【００２７】
次に、ステータ１０の外径寸法Ｄを７６ｍｍとし、ロータ２０の外径Ｒを３９．９８ｍｍ，４２．５６ｍｍ，４５．９８ｍｍ，４９．４０ｍｍ，５７．００ｍｍ，６０．８０ｍｍに設定したモータ１（磁極数：２０，スロット数：１８）を作成した。このとき、各寸法設定のモータ１では、ティース１３の先端とロータマグネット２３の外周面との隙間（エアギャップ）が略同一となるように設定した。図６に各モータ１のトルク測定結果を示す。
なお、各モータ１では、磁極幅Ｍは６．４１９ｍｍ、偏心半径Ｎは１０．８０ｍｍに設定されている。これは、上記実施例７と同様の設定である。実施例７では、リップル率を１．３９％と比較的低く抑えることが可能であると共に、５．５（Ｎｍ）を超えるトルク値を確保することができる。
【００２８】
図６からロータ２０の外径Ｒが４９．４０ｍｍに設定された場合にトルク値が５．５１（Ｎｍ）で最大となり、４５．９８ｍｍ〜５７．００ｍｍに設定された場合にトルク値が５．０（Ｎｍ）を超える良好な値となることが分かる。しかしながら、４２．５６ｍｍ以下または６０．８０ｍｍ以上に設定された場合にはトルクが５．０（Ｎｍ）未満となることが分かる。すなわち、外径Ｒが４５．９８ｍｍ〜５７．００ｍｍの範囲では、最大トルク値からの減少量を比較的小さな値に抑えることができ、トルク値を５．０（Ｎｍ）以上に確保することが可能である。
【００２９】
このように、ステータ１０の外径寸法Ｄを７６ｍｍとした場合に、ロータ２０の外径Ｒを適切に選択することにより、高トルクなモータ１を得ることができる。
また、ステータ１０の外径寸法Ｄを７０ｍｍ，８０ｍｍにそれぞれ設定した場合にも、ロータ２０の外径Ｒが４５．９８ｍｍ〜５７．００ｍｍの範囲にあるときには、トルク値が５．０（Ｎｍ）を超える良好な値となることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータの構成を示す説明図である。
【図２】図１のブラシレスモータのステータおよびロータの説明図である。
【図３】図１のブラシレスモータのステータおよびロータの要部説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータのリップル率を表すグラフである。
【図５】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータのリップル率を表すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態に係るブラシレスモータのロータ外径に対するトルクを表すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１‥ブラシレスモータ、  １０‥ステータ、  １１‥ステータコア、
１２‥アウターコア、１３‥ティース、  １４‥巻線、  ２０‥ロータ、
２１‥シャフト、  ２２‥スペーサ、  ２３‥ロータマグネット、  ２３ｄ‥外側面、
２３ｂ，２３ｃ‥側面、  ２３ａ‥内周面、３０‥ハウジング、
３１‥ハウジング本体、  ３２‥エンドハウジング、  ３３，３４‥軸受、
３５‥基板、  ３６‥ホールセンサ、  Ｄ‥外径寸法、  ｄ‥半径、  Ｍ‥磁極幅、
Ｎ‥偏心半径、  Ｒ‥ロータの外径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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