(57)【要約】【課題】コンシクエント型モータのコギングやトルクリップルを低減させ、電動パワーステアリング装置の駆動源として有用なコンシクエント型のブラシレスモータを提供する。【解決手段】コンシクエント型のブラシレスモータ１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、ステータ２とロータ３を有する。ステータ２は、ティース４３が形成されたステータコア５と、ティース４３に巻装されスロット４４に収容される界磁コイル６を有する。ロータ３は、シャフト１３と、コア部１５ａと鉄極部１５ｂを備えたロータコア１５と、鉄極部１５ｂの間に配置されたマグネット１６を有する。ステータコア５はスキュー構造を有し、スロット４４はシャフト１３の延伸方向に対して、スキュー角θ＝１７°〜２２°、好ましくは２４°にて傾斜して設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状に形成されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を有するブラシレスモータであって、
前記ステータは、径方向内側に向かって延び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と、前記ティースに巻装され隣接する前記ティース間に形成されたスロットに収容される界磁コイルと、を備え、
前記ロータは、前記ステータに対し回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに取り付けられ、円形断面を有するコア部と、該コア部の外周に径方向に向かって突設された複数個の鉄極部とを備えたロータコアと、前記ロータコア外周の前記鉄極部の間に配置されたマグネットと、を備え、
前記ステータコアはスキュー構造を有し、前記スロットが前記シャフトの延伸方向に対して所定のスキュー角にて傾斜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６極９スロット構造であり、前記スキュー構造における前記スキュー角が１７°〜２２°であ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または２記載のブラシレスモータにおいて、前記マグネットとして、前記ロータコアの外周に取り付けられるセグメントマグネットを用い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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンシクエント型のブラシレスモータに関し、特に、コンシクエント型ブラシレスモータの低コギング・低トルクリップル化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等の車両に搭載されている電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳと略記する）では、小型化・高出力化の要請から、その駆動源であるモータにネオジウム等のレアメタルを用いたマグネットが使用されている。ところが、レアメタルは、輸入依存度が高く、材料の入手が困難となる場合があり、その価格も非常に高価である。このため、昨今では、レアメタルの使用量を削減すべく、ＥＰＳ用モータとして、鉄心を擬似的に磁極として使用するいわゆるコンシクエント型の永久磁石モータの採用が模索されている。
【０００３】
一般に、このようなコンシクエント型モータでは、ロータの外周にマグネットと鉄極が交互に配置されている。マグネットは外側がＮ極となっており、そこから出た磁束は、隣接する鉄極に入り磁気回路を形成する。この際、鉄極はＳ極化し、結果的に(consequent)、マグネット間の鉄極が磁極化して極対を形成する。これにより、ロータの外周にＮ極とＳ極が交互に配置され、当該ロータは、永久磁石モータの回転子として機能する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３２７１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、Ｎ,Ｓ両極共にマグネットを使う通常の永久磁石モータでは、磁極自らが磁束を発生するため、マグネットが同形状であれば、比較的、コギングやトルクリップルを低減させやすい。すなわち、マグネット形状を調整することにより、各相の線間誘起電圧波形を相似形に揃えることができ、コギング等の低減を比較的容易に図ることができる。ところが、コンシクエント型の永久磁石モータでは、マグネットの磁束を介して鉄極が磁極化されるため、誘起電圧波形が揃うように鉄極の形状を設定することが難しい。また、ロータをマグネットと鉄で構成しているため、線間誘起電圧に不必要な次数の高調波成分が含まれやすく、コギング・トルクリップルが大きくなりがちである。
【０００６】
このように、コンシクエント型のモータは、通常のモータに比してマグネットの量を半分程度に抑えることができ、高価なレアメタルマグネットの使用量を低減できるメリットがあるものの、コギングやトルクリップルが大きくなるという問題がある。このため、コンシクエント型モータは、コギングやトルクリップルに対する要求が厳しいＥＰＳ用モータには採用しづらい、というのが現状であり、それらを低減するための対策が求められていた。
【０００７】
本発明の目的は、コンシクエント型モータのコギングやトルクリップルを低減させ、車両用電動パワーステアリング装置の駆動源として有用なコンシクエント型の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】
【０００８】
本発明のブラシレスモータは、円筒状に形成されたステータと、前記ステータの内側に回転自在に配置されたロータと、を有するブラシレスモータであって、前記ステータは、径方向内側に向かって延び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と、前記ティースに巻装され隣接する前記ティース間に形成されたスロットに収容される界磁コイルと、を備え、前記ロータは、前記ステータに対し回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに取り付けられ、円形断面を有するコア部と、該コア部の外周に径方向に向かって突設された複数個の鉄極部とを備えたロータコアと、前記ロータコア外周の前記鉄極部の間に配置されたマグネットと、を備え、前記ステータコアはスキュー構造を有し、前記スロットが前記シャフトの延伸方向に対して所定のスキュー角にて傾斜して設けられることを特徴とする。
【０００９】
本発明にあっては、ロータコアの外周に鉄極部とマグネットを交互に配置したいわゆるコンシクエント型のブラシレスモータにて、ステータコア側にスキュー構造を採用することにより、ロータ側のステップスキュー構造に比して、コギングやトルクリップルの低減が図られる。
【００１０】
前記ブラシレスモータにおいて、前記ブラシレスモータは６極９スロット構造であり、前記スキュー構造におけるスキュー角を１７°〜２２°、好ましくは２４°に設定しても良い。
【００１１】
また、前記マグネットとしてセグメントマグネットを使用し、それを前記ロータコアの外周に取り付けるようにしても良い。セグメントマグネットは、形状を適宜変更できるため、磁束の調整が容易である。このため、マグネットと鉄極とのバランスが難しいコンシクエント型のモータにおいても、マグネットと鉄極の両方の形状を調整でき、誘起電圧波形の調整も容易であり、設計の自由度も向上する。この点、埋め込み型のマグネットは、形状が固定されているため、鉄極側のみの変更しか行うことができず、誘起電圧波形の調整が非常に難しく、トルクリップルの低減も難しい。
【００１２】
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使用しても良い。本発明によるブラシレスモータは、低コギング・低トルクリップル性に優れており、それらに対し厳しい仕様が求められるＥＰＳ用のモータにも採用が可能である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のブラシレスモータによれば、いわゆるコンシクエント型のブラシレスモータのステータコア側にスキュー構造を採用したので、ロータステップスキュー構造では達成できなかった低コギング・低トルクリップルのブラシレスモータを提供することが可能となる。これにより、従来の永久磁石モータに比してマグネットの数を約半分に減らすことができ、高価なレアメタルマグネットの使用量を減らすことができ、モータの製品コストを低減させることが可能となる。また、本発明によるコンシクエント型モータをＥＰＳ用モータとして用いることにより、安価で、しかもコギング・トルクリップルの小さいＥＰＳシステムを提供することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例であるＥＰＳ用モータの断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面の概要を示す説明図である。
【図３】ロータの構成を示す斜視図である。
【図４】ステータコアの構造を示す説明図である。
【図５】ステップスキューにおけるマグネットとロータコアのオーバーラップ関係を示す説明図である。
【図６】ステータスキューとロータステップスキューのモータにおけるスキュー角θとコギングトルクとの関係を示すグラフである。
【図７】ステータスキューとロータステップスキューのモータにおけるスキュー角θと全高調波歪率（ＴＨＤ）との関係を示すグラフである。
【図８】スキュー無しの場合と、ロータステップスキュー、ステータスキューのトルクリップルを比較して示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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ＥＰＳ用モータの断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面の概要を示す説明図である。ＥＰＳ用モータ１（以下、モータ１と略記する）は、例えば、コラムアシスト式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、コンシクエント型のブラシレスモータであり、図１,２に示すように、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構成となっている。モータ１は、ステアリングシャフトに設けられた図示しない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。
【００１６】
ステータ２は、有底円筒形状のハウジング４と、ステータコア５、ステータコア５に巻装された界磁コイル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７とから構成されている。ハウジング４は、鉄等にて有底円筒状に形成されており、モータヨークを兼ねている。ハウジング４の開口部には、固定ネジ１０によって合成樹脂製のブラケット８が取り付けられる。ステータコア５には合成樹脂製のインシュレータ１１が取り付けられており、インシュレータ１１の外側にはコイル６が巻装されている。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。
【００１７】
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９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９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の周囲にはこの給電用端子１２が放射状に突出している。一方、バスバー９の端部は、バスバーユニット７の端面から軸方向に延出され、バスバー端子３３を形成している。バスバーユニット７の取り付けに際し、コイル端部６ａは給電用端子１２と溶接される。バスバーユニット７では、バスバー９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、ハウジング４内に圧入固定される。
【００１８】
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の構成を示す斜視図である。ロータ３は、モータ回転軸となるシャフト１３を有している。シャフト１３は、ボールベアリング（以下、ベアリングと略記する）１４ａ,１４ｂによって回転自在に支持されている。リヤ側のベアリング１４ａは、ハウジング４の底部中央に形成されたベアリング収容部４０に圧入固定されている。フロント側のベアリング１４ｂは、金属製のベアリングホルダ１９によって、ブラケット８の中央部に固定されている。
【００１９】
シャフト１３には、電磁鋼板を積層して形成したロータコア１５が固定されている。図２,３に示すように、ロータコア１５は円形断面のコア部１５ａと、コア部１５ａの外周に突設された鉄極部１５ｂとから構成されている。鉄極部１５ｂは、周方向に沿って３ヶ所等分に設けられている。隣接する鉄極部１５ｂの間には、セグメントタイプのマグネット（永久磁石）１６が取り付けられている。マグネット１６は、合成樹脂製のマグネットホルダ１７によって、コア部１５ａの外周に保持されている。マグネット１６と鉄極部１５ｂ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。
【００２０】
マグネットホルダ１７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、合成樹脂製のブラケットホルダ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。ブラケットホルダ２５は、図示しないタッピンネジによって、ブラケット８の内側に固定される。
【００２１】
ブラケットホルダ２５とブラケット８は、両者間にレゾルバホルダ２４のフランジ部２４ａを介在させた形で、前述のタッピンネジにて固定される。フランジ部２４ａは、ブラケットホルダ２５とブラケット８との間にて、周方向に若干移動可能に取り付けられており、レゾルバホルダ２４は、ステータ２３の位置調整後、レゾルバ固定ネジ２８によってブラケットホルダ２５に固定される。図１に示すように、ブラケットホルダ２５には、金属製のレゾルバ固定ナット２７が取り付けられている。レゾルバ固定ナット２７には、ブラケット８の外側からレゾルバ固定ネジ２８がねじ込まれ、ベアリングホルダ１９とレゾルバホルダ２４がブラケット８に共締めされる。これにより、レゾルバホルダ２４は、周方向の位置が調整された状態でブラケット８の内側に固定される。
【００２２】
ブラケット８にはまた、パワーターミナル３１がインサート成形されている。パワーターミナル３１はＵ,Ｖ,Ｗの各相ごとに設けられ、その一端側３１ａが開口部３２内に配置されている。パワーターミナル３１の他端側３１ｂは、パワーコネクタ３４内に配置されている。ブラケット８をハウジング４に組み付けると、バスバーユニット７から軸方向に延びるバスバー端子３３がパワーターミナル３１と並列に対向する。モータ１では、ハウジング４にブラケット８を取り付けた後、開口部３２内にてバスバー端子３３とパワーターミナル３１を溶接固定する。
【００２３】
ここで、本発明のモータ１では、ステータ２のステータコア５がスキュー構造となっている。図４は、ステータコア５の構造を示す説明図である。図１,２,４に示すように、ステータコア５は、電磁鋼板からなる複数個のステータピース４１を周方向に沿って環状に並べると共に、ステータピース４１を軸方向に沿って積層した構成となっている。当該モータ１ではさらに、このステータピース４１を周方向に所定角度ずつずらして積層することにより、ステータスキュー構造を実現している。
【００２４】
ステータピース４１は、円弧状のヨーク部４１ａと、ヨーク部４１ａから円弧中心方向に向かって突設されたティース部４１ｂとから構成されている。ティース部４１ｂの先端部には、コギングトルク低減のため、擬似スロットを構成する溝４２が複数個形成されている。ステータコア５では、このティース部４１ｂにより、径方向に沿って中心方向に延びるティース４３が周方向に沿って複数個形成される。ティース４３の間はスロット４４となっており、スロット４４には、ティース４３に巻装されたコイル６が収容される。ステータコア５は、前述のようにスキュー構造となっており、スロット４４の軸方向の中心線Ｍが、シャフト１３の延伸方向（軸方向）Ｏに対し、角度θ（スキュー角）だけ傾斜している。
【００２５】
前述のように、コンシクエント型モータは、マグネットの使用量を低減できるものの、コギングやトルクリップルが大きくなるという問題がある。これに対し、コギングに対し悪影響を及ぼす誘起電圧の高調波成分を相殺するためにはスキュー構造の採用が効果的である。また、トルクリップル低減のためには、モータを正弦波駆動することが有効であることが一般に知られているが、トルクリップル低減効果を有意に得るためには、誘起電圧波形の高調波成分を極力低減させる必要がある。セグメントマグネットを用いたコンシクエント型モータでは、マグネット形状によって磁束形状を調整でき、鉄極部１５ｂも外径の曲率を調整することにより磁束の調整が可能であるが、どうしても高調波成分が存在してしまい、それを低減するにはやはりスキュー構造が必要となる。
【００２６】
つまり、コンシクエント型モータにおいても、コギングやトルクリップルを低減するためには、スキュー構造の採用が効果的である。ところが、セグメントマグネットを用いたモータの場合、マグネット形状にて磁束を調整できるメリットがあるものの、ロータスキューを構成するためには、段積み（ステップスキュー）構造となる。このようなステップスキュー構造では、図５に示すように、隣接する段の間でマグネット５１とロータコアの鉄極部５２がオーバーラップ（矢示Ｐ）するため、マグネットからの磁束が歪められてしまい、スキュー効果が得にくくなるばかりか、コギングが却って悪化してしまう場合がある。
【００２７】
そこで、本発明によるモータ１では、ロータ３側は、スキューのない直線的な磁極構成として磁束の歪みを防止しつつ、ステータ２側をスキュー構造として、コギングやトルクリップルの低減を図っている。図６は、ステータスキュー（モータ１）と、ロータスキュー（ステップスキュー）のモータにおけるスキュー角θとコギングトルクとの関係を示すグラフである。なお、ここで言うスキュー角θは、ステータスキューの場合は、シャフト１３の延伸方向（軸方向）に対するスロット４４の中心線（軸方向）の傾斜角、ロータステップスキューの場合は、隣接する各段のマグネットの周方向へのシフト角度の和を意味している。また、図７は、ステータスキューと、ロータステップスキューのモータにおけるスキュー角θと全高調波歪率（ＴＨＤ）との関係を示すグラフ、図８は、スキュー無しの場合と、ロータステップスキュー、ステータスキューのトルクリップルを比較して示した説明図である。
【００２８】
図６から分かるように、コギングトルクは、当該モータ１の方がロータステップスキューのモータよりも低く抑えられている。モータ１のような６極９スロットのモータでは、理論上、機械角３６０°を６Ｐ９Ｓの最小公倍数で割った機械角２０°付近で最少となる。しかしながら、ロータステップスキューの場合、上述のようなマグネット５１と鉄極部５２のオーバーラップ問題により、２０°付近でもコギングトルクが余り小さくならない。また、スキュー角が大きくなると、マグネット５１と鉄極部５２のオーバーラップ量が大きくなり、コギングが悪化する。ＥＰＳ用モータでは、一般にコギングトルクは１０ｍＮｍ以下が望ましいが、図６から明らかなように、ロータステップスキューのモータではその仕様を達成するのは難しい。これに対し、ステータスキュー構造のモータ１では、スキュー角を１５°〜２７°程度に設定すれば、前述の条件をクリアできる。
【００２９】
次に、高調波成分に関しては、６Ｐ９Ｓモータでは、５次成分が最少となる２４度付近で極小となる。しかしながら、ロータステップスキューの場合、コギングの場合と同様に、磁束の歪みにより高調波成分が余り小さくならないため、誘起電圧波形が正弦波とならず、トルクリップルが大きくなる。ＥＰＳ用モータでは、一般にＴＨＤは１％未満が好ましいとされているが、図７から明らかなように、ロータステップスキューのモータではその仕様を達成するのは難しい。これに対し、ステータスキュー構造のモータ１では、スキュー角を１７°〜２７°程度に設定すれば、前述の条件をクリアでき、特に、２４°に設定すればトルクリップルを極小値に抑えることができる。
【００３０】
また、ＥＰＳ用モータでは、トルクリップル率は５％以下に抑えることが望まれるが、図８から分かるように、スキュー無しの場合やロータステップスキューでは、それを５％以下に抑えられない。その点、ステータスキューを採用し、スキュー角を２４°に設定すると、トルクリップル率は３％程度に抑えられ、ＥＰＳ用モータとして求められる仕様を満たすことが可能となる。
【００３１】
このように、本発明のモータ１では、コンシクエント型の永久磁石モータにステータスキュー構造を採用することにより、ロータステップスキュー構造では達成できなかった低コギング・低トルクリップルのブラシレスモータを提供することが可能となる。コンシクエント型モータは、前述のように、マグネットの数を従来の永久磁石モータの約半分に減らすことができるため、高価なネオジウムマグネットの使用量を減らすことができ、モータの製品コストを低減させることが可能となる。従って、コンシクエント型モータをＥＰＳ用モータとして採用することにより、安価で、しかもコギング・トルクリップルの小さいＥＰＳシステムを提供することが可能となる。
【００３２】
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、ロータ側をステップスキュー構造とした例を示したが、平行磁場にて着磁したセグメントマグネットを用いることにより、ステップ構造ではない、滑らかなスキュー構造をロータ側に形成しても良い。但し、平行磁場による着磁は、マグネットの磁束密度を高くしにくいため、必要磁束を得るためにマグネットが大きくなってしまうおそれがあり、小型で高性能なモータが求められているＥＰＳでは、ステータスキュー構造の方が好ましい。
【符号の説明】
【００３３】
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
６    界磁コイル
６ａ  コイル端部
７    バスバーユニット
８    ブラケット
９    バスバー
１０    固定ネジ
１１    インシュレータ
１２    給電用端子
１３    シャフト
１４ａ,１４ｂ    ベアリング
１５    ロータコア
１５ａ  コア部
１５ｂ  鉄極部
１６    マグネット
１７    マグネットホルダ
１８    マグネットカバー
１９    ベアリングホルダ
２１    レゾルバ
２２    ロータ
２３    ステータ
２４    レゾルバホルダ
２４ａ  フランジ部
２５    ブラケットホルダ
２６    リブ
２７    レゾルバ固定ナット
２８    レゾルバ固定ネジ
３１    パワーターミナル
３１ａ  一端側
３１ｂ  他端側
３２    開口部
３３    バスバー端子
３４    パワーコネクタ
４０    ベアリング収容部
４１    ステータピース
４１ａ  ヨーク部
４１ｂ  ティース部
４２    溝
４３    ティース
４４    スロット
５１    マグネット
５２    鉄極部
θ      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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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