(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向に沿って２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータであって、
前記ロータの前記磁極は、軸方向に沿って３列に配置された同一形状のセグメントマグネットにて形成されると共に、隣接列の同極性マグネットが周方向にずれた位置に配置されたステップスキュー構造を有し、
前記セグメントマグネットのスキュー角θskewを、
θskew=θstep×マグネット段積み数
（θstep：前記各セグメントマグネット間のステップ角）
と定義したとき、
前記スキュー角θskewを電気角６０〜７５°に設定すると共に、
該スキュー角θskewを前記電気角６０〜７５°に設定したとき、前記同極性マグネットに対して隣接する異極性マグネットが周方向にオーバーラップしないよう、前記セグメントマグネットの中心角θmを（１４０×ｎ-1）°≦θm≦（１５９×ｎ-1）°とした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、前記ブラシレスモータは、電動パワーステアリングの駆動源として使用されるモータであ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、セグメントマグネットによる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。
【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。このため、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るため、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。
【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、セグメントマグネットは軸方向に偶数列配される。特許文献１には、マグネットが２列配された回転電機が示されており、各列のマグネットは、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。
【特許文献１】特許第3599066号公報
【特許文献２】特開2006-42414号公報
【特許文献３】特開2004-159492号公報
【特許文献４】特開2003-339129号公報
【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、ステップスキュー構造のモータでは、実際には、組み付け状態や物性値、加工精度などにバラツキがあり、２段積のステップスキューではコギングを余り改善できないという問題があった。特に、少極少スロット構造のモータの場合、極とスロットの最小公倍数が小さいため、各種バラツキによる影響が大きく、コギングを低減しにくくなる。このため、マグネット形状や組み付け精度が非常に厳しくなり、ロバスト性に乏しいという問題があった。
【０００６】
例えば、６極９スロット構造のモータの場合、ロータバラツキによるコギング波形は９次（モータ１回転当たり）、ステータバラツキによるコギング波形は６次（同）となるため、コギングの基本波は１８次（同：９と６の最小公倍数）となる。一方、組み付けアンバランスによるコギング波形は各次数の偶数倍となり、このバラツキにより、各次数の整数倍がコギングに載ってしまう。特に、段積みによるロータのバラツキはコギングへの寄与が大きく、段積み誤差による３６次成分が大きくなると、理論スキュー角（３６０°/極・スロットの最小公倍数）でもコギングを低減できなくなる。
【０００７】
また、コギングやトルクリップルを低減すべく、誘起電圧の高調波成分を低減させるためマグネット幅を広く、スキュー角を大きくしなくてはならない場合、隣接する各段の磁極（異極）がオーバーラップしてしまうおそれがある。異極同士のマグネットがオーバーラップすると、磁束がショートカットされてしまい、モータの回転駆動に有効な磁束が得られなくなる。このため、スキュー角を大きくすることができずコギング等が十分に改善できなかったり、有効磁束が減少して出力が低下したりする、という問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、組付精度やスキュー角のバラツキに対するロバスト性に優れ、従来のリングマグネットによるロータスキュー構造のモータよりも出力を向上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】
【０００９】
本発明のブラシレスモータは、周方向に沿って２ｎ（ｎは正の整数）個の磁極を有するロータと、３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータであって、前記ロータの前記磁極は、軸方向に沿って３列に配置された同一形状のセグメントマグネットにて形成されると共に、隣接列の同極性マグネットが周方向にずれた位置に配置されたステップスキュー構造を有し、前記セグメントマグネットのスキュー角θskewを、θskew=θstep×マグネット段積み数（θstep：前記各セグメントマグネット間のステップ角）と定義したとき、前記スキュー角θskewを電気角６０〜７５°に設定すると共に、該スキュー角θskewを前記電気角６０〜７５°に設定したとき、前記同極性マグネットに対して隣接する異極性マグネットが周方向にオーバーラップしないよう、前記セグメントマグネットの中心角θmを（１４０×ｎ-1）°≦θm≦（１５９×ｎ-1）°としたことを特徴とするブラシレスモータ。
【００１０】
本発明にあっては、２Ｐ３Ｓ×ｎ構造のモータにて３段積スキュー構造を採用し、スキュー角を電気角６０〜７５°に設定すると共に、前記セグメントマグネットの中心角θmを（１４０×ｎ-1）°≦θm≦（１５９×ｎ-1）°とすることにより、少極少スロットのブラシレスモータにて、コギングトルクやトルクリップルを抑えつつ、ロータスキューのモータよりも高出力化を図ることができる。また、各列のマグネットが周方向にオーバーラップしないように配置され、磁束のショートが抑えられ、有効磁束の減少による出力低下を防止できる。
【００１１】
また、前記ブラシレスモータは、低コギング、低トルクリップル、高出力をバランス良く満たすことができるため、電動パワーステアリングの駆動源として好適であり、これにより、操舵フィーリングの悪化を招来することなく、装置の小型・軽量化が図られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のブラシレスモータは、２ｎ個の磁極を有するロータと３ｎ個のスロットを有するステータとを備えてなるブラシレスモータにて、軸方向に沿って３列に配置されたセグメントマグネットにてロータ磁極を形成すると共にステップスキュー構造を採用し、その際、マグネットのスキュー角θskewを電気角６０〜７５°に設定するようにしたので、少極少スロットのブラシレスモータにて、コギングトルクやトルクリップルを抑えつつ、ロータスキューのモータよりも高出力化を図ることが可能となる。これにより、コギングトルク、トルクリップル、出力に求められる各仕様をバランス良く満たしたブラシレスモータを構成することができ、ロバスト性に優れた高出力なブラシレスモータを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】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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の矢示Ｘ方向の側面図（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。
【００１８】
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。
【００１９】
図５は、ロータ３側のスキュー角についての説明図である。図５に示すように、ステップスキュー構造においては、マグネット１６ａ〜１６ｃの中心点Ｃ１〜Ｃ３（周方向・軸方向共）を結び、このＣ１〜Ｃ３を結ぶ線Ｌとマグネット１６ａ,１５ｃの軸方向端面との交点をＰ１,Ｐ２としたとき、Ｐ１,Ｐ２間の回転中心Ｏに対する中心角がマグネットスキュー角となる。従って、マグネット１６ａ,１６ｂ間、マグネット１６ｂ,１６ｃ間のステップ角θstepは、それぞれ、Ｃ１,Ｃ２、Ｃ２,Ｃ３間の回転中心Ｏに対する中心角となる。また、Ｃ１,Ｐ１間、Ｃ３,Ｐ２間の中心角は、それぞれ、ステップ角θstepの半分（θstep／２）となる。このため、スキュー角θskewは、θstep×（段積み数−１）＋（θstep／２）×２＝θstep×段積み数となる。
【００２０】
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。
【００２１】
ここで、本発明によるモータ（６Ｐ９Ｓ）１では、スキュー角θskew＝ステップ角θstep×段積み数＝２０〜２５°（機械角、電気角では６０〜７５°）に設定されている。前述のように、６Ｐ９Ｓのモータでは、コギングが０となる理論スキュー角は、３６０°/極・スロットの最小公倍数であり、当該モータ１では、３６０°／１８＝２０°となる。図６は、スキュー角とコギングトルクとの関係を示す説明図である。図６から分かるように、２段積のステップスキュー（以下、２段積スキューと略記する）に比して、３段積のステップスキュー（同、３段積スキュー）は、コギングが小さく抑えられ、ロータスキューとほぼ同程度に低減される。また、コギングは、スキュー角２０°を極小値として、概ね１７°〜２４°の範囲では、極小値から２０％以内の値に収まっている。
【００２２】
また、６Ｐ９Ｓのモータにて、トルクリップルに影響を与える誘起電圧高調波成分（主に５次)が極小となる理論スキュー角は２４°となる。図７は、スキュー角と誘起電圧５次高調波成分との関係を示す説明図である。図７に示すように、２段積スキューに比して、３段積スキューは、総じて誘起電圧５次高調波成分が大きく、トルクリップルもロータスキューとほぼ同程度に抑えられる。
【００２３】
一方、当該モータ１においては、マグネット１６ａ〜１６ｃを前記スキュー角（ステップ角）に設定した場合、各列のマグネットが周方向にオーバーラップしないように配置されている。図８（ａ）は、マグネット１６ａ〜１６ｃの中心角θm（マグネット周方向長（マグネット幅）の回転中心Ｏに対する中心角）を示す説明図、図８（ｂ）は、２Ｐ３Ｓ×ｎ構造のモータにて３列のマグネットがオーバーラップしない条件を示す表である。図８（ｂ）から分かるように、６Ｐ９Ｓのモータ１においては、中心角θmは４６.７°〜５３.０°の間に設定する必要があり、図８（ｃ）から分かるように、２Ｐ３Ｓ×ｎ構造のモータでは一般には、１４０×ｎ−１≦θm≦１５９×ｎ−１に設定する必要がある。
【００２４】
このような設定において、発明者らは、マグネット１６ａ〜１６ｃのスキュー角と誘起電圧５次高調波成分との関係を検討した。図９は、両者の関係を示す説明図である。図９に示すように、発明者らの実験によれば、マグネット中心角θmが４６.７°の場合と５３.０°の場合では、前者の方が高調波含有率が高くなる。図９において、トルクリップルへの影響を考慮して、高調波含有率を３％以下に抑えられる領域を見ると、スキュー角が２０°から２７°程度である。但し、スキュー角が２５°以上になると、高周波含有率は急激に増大する。
【００２５】
すなわち、前述の結果から、３段積スキューの場合、スキュー角に関しては次の領域が好ましいことが分かった。（１）コギングトルクとの関係から見るとスキュー角は２０°が最適値となり、１７°〜２４°（図６）。（２）トルクリップルとの関係から見ると２４°が最適値となり、２０°〜２５°（図７）。（３）マグネットのオーバーラップから見ると２０°〜２５°（図９）。そこで、これらを総合的に判断した結果、本発明者らは、各条件がバランス良く整った領域として、スキュー角θskewを機械角にて２０〜２５°（電気角では６０〜７５°）に設定することとした。従って、３段積スキュー構造の当該モータ１では、ステップ角θstepは１０〜１２.５°(機械角；電気角では３０〜３７.５°)に設定される。
【００２６】
但し、３段積スキューの場合は、２段積スキューの場合に比して、トルクに寄与する誘起電圧の１次高調波成分の含有率が小さくなる傾向がある。図１０は、スキュー角と誘起電圧１次高調波成分の含有率との関係を示す説明図である。図１０に示すように、スキュー角が大きくなると１次高調波成分が減少し、モータトルクも減少するが、３段積スキューのものは、２段積スキューのものよりも高調波成分が小さく、その分、トルクも小さくなる。しかしながら、図１０から分かるように、３段積スキューのものは、ロータスキューのものよりも高調波成分は大きくなっており、ロータスキューのモータよりも高出力化が可能である。
【００２７】
このように、本発明によるモータ１では、６Ｐ９Ｓモータにて３段積スキュー構造を採用すると共に、スキュー角を２０〜２５°（機械角）に設定することにより、少極少スロットのブラシレスモータにて、コギングトルクやトルクリップルを抑えつつ、ロータスキューのモータよりも高出力化を図ることが可能となる。また、２段積スキューモータに対しては、出力の点では若干劣るものの、コギングトルクやトルクリップルでは、ロータスキューモータと同等程度の低減効果を得ることができる。従って、コギングトルクやトルクリップル、出力を考慮した場合、これらに求められる仕様をバランス良く満たすことができ、ロバスト性に優れた高出力なブラシレスモータを得ることが可能となる。
【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、コラムアシスト式のＥＰＳに使用されるブラシレスモータを示したが、他の方式のＥＰＳ用モータにも本発明は適用可能である。加えて、ＥＰＳや各種車載電動品用のモータのみならず、本発明は、広くブラシレスモータ一般にも適用可能である。また、前述の実施例では、マグネットを６個用いた６極９スロットのブラシレスモータに本発明を適用した例を示したが、モータのマグネットやスロットの構成はこれには限定されず、その場合、２Ｐ３Ｓの整数倍のモータでは、スキュー角の設定は６０〜７５°（電気角）となる。
【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の矢示Ｘ方向の側面図（一部破断）である。
【図５】ロータ側のスキュー角についての説明図である。
【図６】スキュー角と誘起電圧５次高調波成分との関係を示す説明図である。
【図７】スキュー角と誘起電圧高調波成分との関係を示す説明図である。
【図８】（ａ）はマグネットの中心角θmを示す説明図、（ｂ）は２Ｐ３Ｓ×ｎ構造のモータにて３列のマグネットがオーバーラップしない条件を示す表、（ｃ）は（ｂ）の条件に関する極数とスロットの倍数ｎとマグネット角度の最大値及び最小値との関係を示すグラフである。
【図９】スキュー角と誘起電圧５次高調波成分の含有率との関係を示す説明図である。
【図１０】スキュー角と誘起電圧１次高調波成分の含有率との関係を示す説明図である。
【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  溝
６    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
１５ａ〜１５ｃ    ロータコア
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    ロータ（レゾルバロータ）
２３    ステータ（レゾルバステータ）
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
Ｏ      回転中心
θm     マグネット中心角
θskew  スキュー角
θstep  ステップ角
Ｃ１〜Ｃ３    マグネット中心点
Ｌ      マグネット中心点を結ぶ線
Ｏ      ロータ回転中心
Ｐ１,Ｐ２    直線Ｌとロータコア端部との交点
【図１】
0005123008.tif 000002
【図２】
0005123008.tif 000003
【図３】
0005123008.tif 000004
【図４】
0005123008.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005123008.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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