(57)【要約】【課題】モータ設計仕様に関わらず、巻線界磁の磁束の影響を受けにくい位置に磁気センサを配置し得るブラシレスモータを提供する。【解決手段】ブラシレスモータ１は、ステータコア５と巻線６を備えるステータ２と、マグネット１３を備えるロータ３と、ロータ３の回転位置を検出する磁気センサ１８と、を有する。ロータ３はスキュー構造を有しており、マグネット１３にはスキュー着磁が施されている。マグネット１３はオーバーハング部１４を有し、磁気センサ１８は、オーバーハング部１４の軸方向端面２０に対向して配置される。マグネット１３のスキュー角は、磁気センサ１８を巻線界磁の影響が小さい最適位置に配置した状態で、Δ結線や正弦波駆動等のモータ仕様によるセンサ配置の角度ズレに合わせて設定される。【選択図】図４
2018207554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータコアと、該ステータコアに巻装された巻線と、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、マグネットを備えるロータと、
前記マグネットの磁気を検知し、前記ロータの回転位置を検出する磁気センサと、を有するブラシレスモータであって、
前記ロータは、前記マグネット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、
前記マグネットは、前記ステータコアに対向することなく前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に沿って延出されたオーバーハング部を有し、
前記磁気センサは、前記マグネットの前記オーバーハング部の軸方向端面に対向して配置され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、
前記巻線は、前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に向かって形成された巻き太り部を有し、
前記オーバーハング部は、前記巻き太り部を超えて軸方向に延設され、前記巻き太り部よりも前記磁気センサに近接して配置されることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のブラシレスモータにおいて、
前記磁気センサは、前記マグネットに対し軸方向に間隔をあけて配置され、該磁気センサの少なくともその一部が、対向する前記オーバーハング部の軸方向端面にオーバーラップして設けられ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記載の何れか１項に記載のブラシレスモータにおいて、
前記マグネットの両端部における前記磁極の切り替わり位置のうち、前記オーバーハング部側の位置をＰ、前記オーバーハング部とは反対側の位置をＱとしたとき、前記オーバーハング部を含む前記マグネット全体のスキュー角を示す前記Ｐ,Ｑ間のスキュー角θＲは、
前記ステータコアの軸方向寸法をＬ、前記ステータコアの軸方向寸法に対応した前記マグネットのスキュー角をθＴ、前記オーバーハング部の軸方向寸法をＯＨとすると、
θＲ＝θＴ＋（θＴ／Ｌ）×ＯＨ
にて表され、
前記磁極の切り替わり位置Ｑから、前記マグネットの磁極中心位置Ｍまでのスキュー角をθＭとすると、該θＭは、
θＭ＝θＴ／２
にて表され、
前記磁極中心位置Ｍから、前記磁極の切り替わり位置Ｐまでのスキュー角θＸ＝θＲ−θＭは、モータ仕様に基づいて設定されることを特徴とするブラシレスモータ。
【請求項５】
請求項４記載のブラシレスモータにおいて、
前記スキュー角θＸは、０°＜θ≦６０°（電気角）の範囲にて設定され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、ブラシレスモータに関し、特に、センサマグネットを使用せず、ロータマグネットの磁束を直接センシングするいわゆるダイレクトセンシング方式のブラシレスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ブラシレスモータの駆動制御に際し、センサマグネットを使用することなく、ロータマグネットの磁束を直接センシングしてロータの位置を検出する駆動方式が知られている（例えば、特許文献１）。このような駆動方式は、ダイレクトセンシングと呼ばれており、モータ内にセンサマグネットが不要となるため、その分、部品点数が削減され、装置の小型化やコスト削減が図られるという利点を有している。しかし、その一方でダイレクトセンシング方式のモータは、巻線界磁からの磁束の影響により、ロータ位置のセンシングが阻害され易い、という課題を有している。このため、ダイレクトセンシング方式のモータでは、巻線界磁の影響を最小限に抑えるため、従来、図５（ａ）のようなセンサ配置を行うのが一般的であった。
【０００３】
図５（ａ）のブラシレスモータ５１は、２極のロータ５２と、６個の各相巻線５３（５３Ｕａ,Ｕｂ，５３Ｖａ,Ｖｂ，５３Ｗａ,Ｗｂ）を備えている。また、ロータ５２の磁極の切り替わりを検知する磁気センサ５４は、３相に対応して３個設けられている（５４Ｕ,５４Ｖ,５４Ｗ）。そして、各磁気センサ５４は、現在通電されている相の巻線５３から最も遠い位置にて、磁極の切り替わりを検知するように配置されている。図５（ｂ）は、磁気センサ５４の磁気検出タイミングと、巻線５３の通電タイミングとの関係を示すタイムチャートである。図５（ａ）,（ｂ）から分かるように、ここでは、例えばＵ相の巻線５３Ｕａ,Ｕｂに通電されているときは、それらから最も遠い位置にて、磁気センサ５４Ｗが磁極の切り替えを検知するように磁気センサ５４が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2016-19362号公報
【特許文献２】特開2016-178751号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、図５のようなセンサ配置は、Ｙ結線・矩形波駆動の場合には、界磁の影響を最小限に抑えられる理想位置であるが、Δ結線や正弦波駆動の場合、センサ配置が理想位置から電気角３０°分のズレが生じる。このため、結線状態や駆動方式に合わせてセンサを配置すると、界磁磁束の影響を抑えるため本来設置したい位置にセンサを設けることが難しくなる。すなわち、モータ設計上の理由により、巻線界磁の影響を受けにくい理想位置にセンサを配置できないという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、モータ設計仕様に関わらず、巻線界磁の磁束の影響を受けにくい位置に磁気センサを配置し得る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】
【０００７】
本発明のブラシレスモータは、ステータコアと、該ステータコアに巻装された巻線と、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、マグネットを備えるロータと、前記マグネットの磁気を検知し、前記ロータの回転位置を検出する磁気センサと、を有するブラシレスモータであって、前記ロータは、前記マグネット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、前記マグネットは、前記ステータコアに対向することなく前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に沿って延出されたオーバーハング部を有し、前記磁気センサは、前記マグネットの前記オーバーハング部の軸方向端面に対向して配置されることを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、磁気センサを、マグネットのオーバーハング部の軸方向端面に対向して配置することにより、巻線から磁気センサを軸方向に遠ざけ、磁気センサに対する巻線界磁の影響を小さく抑える。また、スキュー構造のロータを使用することにより、コギングトルクを低減させると共に、スキュー角をモータ仕様によるセンサ配置の角度ズレに合わせて設定する。これにより、磁気センサを巻線界磁の影響が小さい最適位置に配置した状態で、そのモータの仕様（Δ結線や正弦波駆動など）に対応させる。なお、ロータのスキュー構造としては、スキュー着磁を施したマグネットを使用したり、セグメントマグネットによるステップスキュー構造を採用したりすることが可能である。
【０００９】
前記ブラシレスモータにおいて、前記巻線は、前記ステータコアの軸方向端部から軸方向に向かって形成された巻き太り部を有し、前記オーバーハング部を、前記巻き太り部を超えて軸方向に延設し、前記巻き太り部よりも前記磁気センサに近接して配置する様にしても良い。
【００１０】
また、前記磁気センサは、前記マグネットに対し軸方向に間隔をあけて配置され、該磁気センサの少なくともその一部が、対向する前記オーバーハング部の軸方向端面にオーバーラップして設けられるようにしても良い。
【００１１】
さらに、前記マグネットの両端部における前記磁極の切り替わり位置のうち、前記オーバーハング部側の位置をＰ、前記オーバーハング部とは反対側の位置をＱとしたとき、前記オーバーハング部を含む前記マグネット全体のスキュー角を示す前記Ｐ,Ｑ間のスキュー角θＲは、前記ステータコアの軸方向寸法をＬ、前記ステータコアの軸方向寸法に対応した前記マグネットのスキュー角をθＴ、前記オーバーハング部の軸方向寸法をＯＨとすると、θＲ＝θＴ＋（θＴ／Ｌ）×ＯＨにて表され、前記磁極の切り替わり位置Ｑから、前記マグネットの磁極中心位置Ｍまでのスキュー角をθＭとすると、該θＭは、θＭ＝θＴ／２にて表され、このとき、前記磁極中心位置Ｍから、前記磁極の切り替わり位置Ｐまでのスキュー角θＸ＝θＲ−θＭを、モータ仕様に基づいて設定するようにしても良い。この場合、前記スキュー角θＸを０°＜θ≦６０°（電気角）の範囲に設定しても良い。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のブラシレスモータによれば、磁気センサを、マグネットのオーバーハング部の軸方向端面に対向して配置することにより、巻線から磁気センサを軸方向に遠ざけることができ、磁気センサに対する巻線界磁の影響を小さく抑えることが可能となる。また、ロータに、マグネット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採用することにより、コギングトルクを低減させることが可能となると共に、そのスキュー角をモータ仕様によるセンサ配置の角度ズレに合わせて設定することが可能となる。このため、磁気センサを最適位置に配置した状態でそのモータの仕様に対応することができ、設計上の都合から、磁気センサを回転方向の最適位置に配置できない場合においても、スキュー角度を調整することにより、磁気センサを最適位置に配置することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施の形態であるブラシレスモータの構成を示す説明図である。
【図２】オーバーハング量と巻線界磁の影響による磁束の検出角遅れの関係を示す説明図である。
【図３】磁気センサとマグネットの位置関係を示す説明図である。
【図４】磁気センサの配置を示す説明図である。
【図５】ダイレクトセンシング方式のブラシレスモータにおける従来のセンサ配置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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１（以下、モータ１と略記する）の構成を示す説明図である。モータ１は、自動車のサンルーフ装置の動力源として使用され、外側にステータ２、内側にロータ３を配したインナーロータ型ブラシレスモータとなっている。モータ１では、ロータマグネットの磁束を直接センシングしてロータの位置を検出するダイレクトセンシング方式が採用されている。
【００１５】
ステータ２は、ハウジング４と、ハウジング４の内周側に固定されたステータコア５、及び、ステータコア５に巻装された３相（Ｕ,Ｖ,Ｗ）の巻線（コイル）６とを備えた構成となっている。ステータコア５は鋼板を多数積層した構成となっており、リング状のヨーク部７と、ヨーク部７から内側方向へ突設された複数個のティース８とから形成されている。各ティース８には、インシュレータ９を介して巻線６が巻装されている。
【００１６】
ロータ３はステータ２の内側に配設されており、回転軸１１と、ロータコア１２、マグネット１３を同軸状に配した構成となっている。回転軸１１の外周には、鋼板を多数積層した円筒形状のロータコア１２が取り付けられている。ロータコア１２の外周には、マグネット１３が固定されている。ロータ３は、マグネット１３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ており、マグネット１３には、磁極の切り替わり位置が軸方向に沿って中心軸線に対し傾斜する形でスキュー着磁が施されている。このようなスキュー構造の採用により、モータ１では、コギングトルクの低減が図られている。
【００１７】
モータ１では、マグネット１３の一端側が、ステータコア５の軸方向端部５ａよりも軸方向に延出した状態となっている。すなわち、マグネット１３の一端側には、ステータコア５とは対向することなく、ステータコア５の軸方向端部５ａから軸方向に沿って延出されたオーバーハング部１４が形成されている。オーバーハング部１４は、巻線６の軸方向端部に形成される巻き太り部１５を超えて延設されており、オーバーハング部１４の軸方向長さ（オーバーハング量）ＯＨは、巻き太り部１５の軸方向寸法Ｂよりも大きくなっている（ＯＨ＞Ｂ）。
【００１８】
ここで、ダイレクトセンシングを行うブラシレスモータでは、巻線界磁の磁束の影響により、通電時と無通電時では磁極の切り替わり検出位置に違いが生じ、通電時は無通電時に比して検出角度が遅れる傾向がある。図２は、オーバーハング量ＯＨと、巻線界磁の影響による磁束の検出角遅れ（磁極の切り替わり検出の遅れ）との関係を示す説明図であり、（ａ）は６Ａ通電時、（ｂ）は１５Ａ通電時をそれぞれ示している。発明者らの解析によれば、オーバーハング量ＯＨが大きいほど検出角の遅れが小さく、ＯＨが巻き太り部１５の寸法Ｂよりも小さいと、遅れの増加量が大きくなることが分かった。そこで、モータ１では、オーバーハング部１４が巻き太り部１５よりも大きくなるように設定し（ＯＨ＞Ｂ）、巻線界磁の影響を小さく抑えている。
【００１９】
ハウジング４の両端部には、軸受１６ａ,１６ｂが取り付けられている。回転軸１１は、この軸受１６ａ,１６ｂに回転自在に支持されている。ハウジング４は有底円筒状に形成されており、開口側端部には、センサブラケット１７が取り付けられている。センサブラケット１７には、ホール素子等を用いた磁気センサ１８が配された基板１９が取り付けられている。磁気センサ１８には、いわゆる面実装型のセンサが使用されており、マグネット１３の磁気を検知してロータ３の回転位置を検知する。
【００２０】
磁気センサ１８は、マグネット１３の軸方向端面２０（オーバーハング部１４の軸方向端面）と直接対向する形で、上下方向で言えば、軸方向端面２０の直下に配置されている。この場合、磁気センサ１８は、マグネット１３の軸方向端面２０に全面的に対向している必要はない。図３は、磁気センサ１８とマグネット１３の位置関係を示す説明図である。磁気センサ１８は、図３に一点鎖線にて示したように、その一部がマグネット１３の軸方向端面２０とオーバーラップするように配置されていれば足りる。すなわち、磁気センサ１８は、少なくともその一部が、軸方向端面２０の径方向の幅Ｗの範囲内に重なるような位置に配設される。逆に、磁気センサ１８とマグネット１３が全くオーバーラップしない状態（図３の破線位置）は、マグネット１３の磁束を正確に捉えられない可能性があり好ましくない。
【００２１】
磁気センサ１８は、各相の転流タイミングを検出するため、Ｕ,Ｖ,Ｗ相用に３つ（１８Ｕ,１８Ｖ,１８Ｗ）設けられている。図４は、磁気センサ１８の配置を示す説明図である。図４に示すように、モータ１では、磁気センサ１８が周方向に沿って３個（１８Ｕ,１８Ｖ,１８Ｗ）配置されている。磁気センサ１８は、図５と同様の理想位置に設けられており、現在通電されている相の巻線６から最も遠い位置にて、磁極の切り替わりを検知するよう配置されている。また、マグネット１３にはスキュー着磁が施されており、Δ結線や正弦波駆動の場合のように、センサ配置が理想位置から電気角３０°分ずれても、スキュー角度の調整により、最適なセンサ配置のままダイレクトセンシングを実施できるようになっている。
【００２２】
モータ１にあっては、スキュー角度は次のように設定されている。図４に示すように、モータ１では、スキュー着磁により、磁極の切り替わり位置Ｓが軸方向に対して傾斜して形成されている。そして、マグネット１３の両端部における磁極の切り替わり位置Ｓのうち、オーバーハング部１４側（一端側）の位置をＰ、オーバーハング部１４とは反対側（他端側）の位置をＱとすると、オーバーハング部１４を含むマグネット１３全体のスキュー角θＲは、点Ｐ,Ｑ間のスキュー角となる。
【００２３】
この場合、モータ１のスキュー角θＲ（点Ｐ〜Ｑ間のスキュー角）は、ステータコア５の軸方向寸法（ステータ積厚）Ｌに対応したスキュー角をθＴ、オーバーハング量をＯＨとすると、
θＲ＝θＴ＋（θＴ／Ｌ）×ＯＨ
となる。
一方、マグネット１３の磁極中心位置Ｍにおけるスキュー角θＭは、
θＭ＝θＴ／２
である。そこで、モータ１では、磁極中心位置Ｍから点Ｐ（磁極の切り替わり位置Ｓのうち軸方向端面２０にて磁気センサ１８と対向する部位）までのスキュー角θＸ（＝θＲ−θＭ）を、モータ仕様（Δ結線や正弦波駆動など）によるセンサ配置のズレに合わせて設定する。
【００２４】
例えば、Δ結線により、センサ配置が理想位置から電気角３０°（モータ１では機械角１５°）ずれる場合、前述の「θＸ＝θＲ−θＭ」の値を電気角３０°に設定する。これにより、磁気センサ１８にて検出される磁極の切り替わりタイミングが電気角３０°分調整され、磁気センサ１８を最適位置に配置（固定）した状態で、Δ結線のモータに対応することができる。つまり、コギングトルク低減効果を有するスキューについて、さらにその角度を調整することにより、巻線界磁の磁束による影響を最小限に抑え得る最適な位置に磁気センサ１８を配置したまま、Δ結線のブラシレスモータを駆動制御することが可能となる。なお、スキューによる角度調整は、スキューなしに対して、モータの回転方向に合わせて、左右に少なくとも電気角３０°ずつ（全体で電気角６０°）の範囲で行うことが可能である。
【００２５】
このように、本発明によるモータ１では、磁気センサ１８として、面実装型のセンサを使用し、マグネット１３の軸方向端面２０に対向して配置する。その上で、まず、オーバーハング部１４を巻き太り部１５よりも大きく（ＯＨ＞Ｂ）設定して、巻線６から磁気センサ１８を遠ざけ、巻線界磁の影響を小さく抑える。つまり、オーバーハング部１４により、モータ１の軸方向において、巻線界磁の影響を低減させる。
【００２６】
また、マグネット１３にスキュー着磁を施し、そのスキュー角をモータ仕様によるセンサ配置の角度ズレに合わせて設定し、磁気センサ１８を最適位置に配置した状態でそのモータの仕様に対応する。これにより、設計上の都合から、磁気センサ１８を回転方向の最適位置に配置できない場合においても、スキュー角度を調整することにより、磁気センサ１８を最適位置に配置することが可能となる。つまり、スキュー角調整により、モータ１の回転方向において、巻線界磁の影響を最小化する。そして、界磁磁束に対するこれらの軸方向・回転方向の対応により、ダイレクトセンシング方式のブラシレスモータにおいて、巻線界磁の影響が最小限に抑えられ、制御精度の向上を図ることが可能となる。
【００２７】
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、ロータ外周にマグネットを配したいわゆるＳＰＭ構造のモータに本発明を適用した例を示したが、モータの構成はこれには限定されず、例えば、ロータ内にマグネットを埋設したいわゆるＩＰＭ構造のモータにも本発明は適用可能である。また、スキューの傾斜方向や角度もモータ仕様に応じて適宜設定可能である。
【００２８】
さらに、ロータ３のスキュー構造として、磁極の切り替わり位置が、軸方向に沿って、段状に回転方向にずれるステップスキューも採用可能である。この場合、例えば、セグメントマグネットを用いたステップスキューでは、ロータ外周に、軸方向に沿って複数列のセグメントマグネットが配置される。また、各列にも、回転方向（周方向）に沿って複数個のセグメントマグネットが配される。そして、軸方向に隣接する各列のマグネットは、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形となる。本願発明におけるスキュー角度θＲ等は、このようなステップスキュー構造のモータでは、各セグメントマグネットの中心を軸方向に沿って結んだ線を「磁極の切り替わり位置Ｓ」として取り扱って算出され、前述のスキュー角調整が実施される。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によるブラシレスモータは、サンルーフ用モータのみならず、パワーウインド用モータやパワーシート用モータなどの各種車載モータや、エアコン等の家電製品等に使用されるモータにも適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１    ブラシレスモータ
２    ステータ
３    ロータ
４    ハウジング
５    ステータコア
５ａ  軸方向端部
６    巻線
７    ヨーク部
８    ティース
９    インシュレータ
１１    回転軸
１２    ロータコア
１３    マグネット
１４    オーバーハング部
１５    巻き太り部
１６ａ,１６ｂ    軸受
１７    センサブラケット
１８    磁気センサ
１９    基板
２０    軸方向端面
５１    ブラシレスモータ
５２    ロータ
５３    巻線
５３Ｕａ,Ｕｂ，５３Ｖａ,Ｖｂ，５３Ｗａ,Ｗｂ    各相巻線
５４    磁気センサ
５４Ｕ,５４Ｖ,５４Ｗ    磁気センサ
Ｂ      巻き太り部の軸方向寸法
ＯＨ    オーバーハング量
Ｓ      磁極の切り替わり位置
Ｗ      マグネット幅
Ｐ      一端側の磁極の切り替わり位置
Ｑ      他端側の磁極の切り替わり位置
Ｍ      磁極中心位置
Ｌ      ステータコアの軸方向寸法（ステータ積厚）
θＴ    ステータ積厚に対応したスキュー角
θＭ    磁極中心位置Ｍにおけるスキュー角
θＲ    マグネット全体のスキュー角
θＸ    磁極中心位置Ｍから点Ｐまでのスキュー角
【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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