(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、トルクリップル低減とコギング低減を両立させ得るスキュー構造を提供する。【解決手段】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たブラシレスモータにて、軸方向に沿って複数個のセグメントマグネットを周方向にずらして配置し、ステップスキュー構造を形成する。ステータには、ロータのスキューとはねじれ方向を異にするスキュー（角度θｓ）を形成する。マグネットのスキュー角θｍは電気角６０°以下に設定する。ステータとロータのスキュー角を合わせた全スキュー角θskew＝θｓ＋θｍは、電気角６０〜８４°に設定する。【選択図】図３
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【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、軸方向に沿って複数列に配置されたセグメントマグネットにて形成されると共に、隣接列の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すると共に、
前記ステータは、軸方向に沿って所定角度θｓにて傾斜し、前記ロータのスキューとはねじれ方向を異にするスキュー構造を有し、
前記セグメントマグネットは、そのスキュー角θｍが電気角６０°以下に設定され、かつ、前記ステータと前記ロータのスキュー角を合わせた全スキュー角θskew＝θｓ＋θｍが電気角６０〜８４°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】
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。
【特許文献１】特開2006-33989号公報
【特許文献２】特開2004-153913号公報
【特許文献３】特開2003-284276号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ステップスキュー構造のモータは、リングマグネットのように滑らかなスキューを得ることができないため、どうしてもコギングが大きくなってしまうという弊害が生じる。この場合、その改善策として、マグネットの段積み数を増やして細かくスキューを作る方法もあるが、モータの軸長が短い場合、段数を増やすことは製造上困難である。また、ステータ側をスキューさせる方法もあるが、漏れ磁束が多くなり、電圧利用率が低下してしまうという問題が生じる。
【０００５】
さらに、トルクリップルとの関係を見ると、トルクリップルに影響を及ぼす誘起電圧の高調波成分が最小となるスキュー角と、コギングが最小となるスキュー角とが異なるため、トルクリップル低減とコギング低減を両立させることが難しい。例えば、２極３スロットの整数倍（以下、２Ｐ３Ｓ×ｎと略記する）のモータでは、高調波成分のほとんどが５次成分であるが、この５次成分が最も少なくなるスキュー角は２４°となる。これに対し、同モータにおけるコギングが最小となる理論スキュー角は、３６０°／１８（極とスロットの最小公倍数）＝２０°となり、両者を共に最小化することができない。
【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、トルクリップル低減とコギング低減を両立させ得るスキュー構造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、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、軸方向に沿って複数列に配置されたセグメントマグネットにて形成されると共に、隣接列の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すると共に、前記ステータは、軸方向に沿って所定角度θｓにて傾斜し、前記ロータのスキューとはねじれ方向を異にするススキュー構造を有し、前記セグメントマグネットは、そのスキュー角θｍが電気角６０°以下に設定され、かつ、前記ステータと前記ロータのスキュー角を合わせた全スキュー角θskew＝θｓ＋θｍが電気角６０〜８４°に設定されてなることを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、ステップスキュー構造を採用した２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のモータにて、ステータ側に、ロータのスキューとはねじれ方向が逆に形成されたスキュー（スキュー角θｓ）を形成し、ロータ側のマグネットスキュー角θｍをθｍ≦６０°（電気角）、全スキュー角θskew＝θｓ＋θｍを６０°≦θskew≦８４°（電気角）に設定し、コギングトルクの低減とトルクリップルの低減を両立させつつ、出力の低下を最小限に抑える。
【０００９】
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将来することなく、装置の小型・軽量化が図られる。
【発明の効果】
【００１０】
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、ロータ側にステップスキュー構造を採用すると共に、ステータ側に、ロータのスキューとはねじれ方向を異にするスキュー（スキュー角θｓ）を形成する。そして、ロータ側のマグネットスキュー角θｍをθｍ≦６０°（電気角）、全スキュー角θskew＝θｓ＋θｍを６０°≦θskew≦８４°（電気角）に設定するようにしたので、コギングトルクの低減とトルクリップルの低減を両立させつつ、出力の低下を最小限に抑えることが可能なる。従って、コギングトルクやトルクリップル、出力をバランス良く満たすことができ、高性能・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】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。また、図３に示すように、モータ１では、スタータコア５側にスキュー構造が採用されている。分割コア９は、コアピースをスキュー角θｓにて傾斜させつつ積層した形となっており、スタータコア５は、傾斜したコアピースを周方向に９個集成して形成されている。
【００１４】
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。
【００１５】
ステータ２の内側にはロータ３が挿入されている。図４はロータ３の構成を示す説明図、図５は図４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４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。
【００１６】
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５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。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。
【００１７】
図６は、ロータ３側のスキュー角についての説明図である。図６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の端部との交点を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θｍ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θｍは、θstep×（段積み数−１）＋（θstep／２）×２＝θstep×段積み数となる。
【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、本発明によるモータ１では、ステータ２側のスキューと、ロータ３側のスキューは、互いにねじれ方向が逆に形成されている。つまり、軸方向に見た場合、例えば、ステータスキューが軸方向に沿って左側にねじれた形となっていると、ロータスキューは軸方向に沿って右側にねじれた形となっている。従って、モータ１としての全スキュー角θskewは、ステータ２側のスキュー角θｓとロータ３側のスキュー角θｍを加えた値となり、θskew＝θｓ＋θｍとなる。
【００２０】
このような構成のモータにおいて、発明者らは、全スキュー角θskewがモータの出力とどの様な関係にあるか検討した。図７は、全スキュー角θskewと、誘起電圧の１次成分との関係を示す説明図であり、ステータ２側のスキュー角θｓを４°〜２０°（機械角）の間で変化させた場合の状態を示している。図７に示すように、全スキュー角θskewが大きくなると、モータの出力に影響を及ぼす線間誘起電圧の１次成分が減少する（すなわち、出力が低下する）。また、図７の結果から、θｓが大きい場合（θskewの中でθｓの割合が大きい場合）ほど、減少度が大きいことが分かった。
【００２１】
また、ロータ３側のスキュー角θｍとコギングトルクとの関係も検討した。図８は、マグネットスキュー角θｍとコギングトルクとの関係を示す説明図であり、ステータ２側のスキュー角θｓを４°〜２０°の間で変化させた場合の状態を示している。なお、図中、段積みスキューはθｓ＝０の場合、ステータスキューはθｍ＝０の場合を意味している。図８に示すように、コギングトルクはマグネットスキュー角θｍが２０°（機械角）のとき極小値を取り、２０°に至るまで減少し、その後上昇に転じる。６Ｐ９Ｓのモータでは、コギングは１８次成分となり、３６０°÷１８＝２０°の場合が理論上、極小値となるが、実験結果もそれを反映している。また、図８の結果から、θｓが大きい場合ほど、コギングが小さいことも分かった。
【００２２】
そこで、図７,８の結果を勘案すると、θskewが大きくなると誘起電圧１次成分が減少するという観点からは、θskewはなるべく小さく抑えた方が出力的には有利である。これに対し、コギングの観点からは、θｍは２０°になるべく近い方が良く、２０°そのものが好ましい。この場合、θｍが大きくなればθskewも大きくなるため、θｍもなるべく小さく抑えたい。従って、これらの条件から、θｍ＝２０°が理想であり、好ましくは、２０°以下（機械角θｍ≦２０°、電気角ではθｍ≦６０°）とすることが望まれる。
【００２３】
一方、前述のように、コギング低減とトルクリップル低減の両立が難しいことから、全スキュー角θskewと、トルクリップルに影響を及ぶす誘起電圧の高調波成分の含有率との関係も調べた。図９は、全スキュー角θskewと誘起電圧の高調波成分含有率との関係を示す説明図である。なお、モータ１のような２Ｐ３Ｓ×ｎ構成のブラシレスモータでは、誘起電圧に含まれる高調波成分はほとんど５次成分であるため、図９は５次成分の含有率を示している。図９に示すように、高調波成分の含有率は、θskewが２４°（機械角）のとき極小値を取り、２４°に至るまで減少し、その後上昇に転じる。つまり、θskewが２４°のときトルクリップルは最小となる。
【００２４】
従来、θskewは、ロータ３側のマグネットスキューによってのみ構成されているため、コギング低減のためマグネットスキュー角を２０°に設定すると、トルクリップルを最小化できなかった。同様に、トルクリップルを最小化すると、今度はコギングが最小化できず、両者は二律背反の関係にあった。これに対し、本発明によるモータ１では、θskewがθｓとθｍとから構成されているため、θｓを４°に設定することにより、θｍを２０°としつつ、θskewを２４°とする理想的な構成が可能となる。すなわち、ロータ３側のマグネットスキューに加えて、ステータ２側に、ロータ３側とねじれ方向を異にするステータスキューを配することにより、前者を２０°、後者を４°に設定すれば、全スキュー角が２４°となり、コギング最小、トルクリップル最小の最良な構成が得られ、コギング低減とトルクリップル低減の両立が可能となる。
【００２５】
また、図７,８の結果から、θｍ≦２０°のとき、θｓはなるべく小さい方がコギングが少ないため、θｓ＝０の場合を考えると、このときθskewは２０°となる。そこで、図９にて、θskew＝２０°のときの高調波含有率を見ると２％であり、θｍを２０°以下とした場合には、含有率は２％以下に抑えることが望まれる。図９から分かるように、高調波含有率が２％以下となる範囲は、図中破線にて囲んだθskewが２０°から２８°の範囲であり、θskewがそれよりも小さくても大きくても含有率は２％を超える。従って、トルクリップル低減の観点から、θｍ≦２０°に合わせてθskewを見ると、２０°≦θskew≦２８°（機械角、電気角では６０°≦θskew≦８４°）。
【００２６】
このように、本発明によるモータ１では、ステップスキュー構造を採用した６Ｐ９Ｓモータにて、ステータ２側に、ロータ３側とねじれ方向を異にするステータスキュー（スキュー角θｓ）を形成し、ロータ３側のマグネットスキュー角θｍをθｍ≦２０°（機械角、理想的には２０°）、全スキュー角θskew＝θｓ＋θｍを２０°≦θskew≦２８°（機械角、理想的にはθskew＝２４°）に設定することにより、コギングトルクの低減とトルクリップルの低減を両立させつつ、段積みスキューの場合と同等程度の出力を維持することができる。従って、コギングトルクやトルクリップル、出力をバランス良く満たすことができ、高性能・高出力なブラシレスモータを得ることが可能となる。
【００２７】
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。
【００２８】
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ない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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のモータのスタータコアの構成を示す説明図である。
【図４】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５】図４の矢示Ｘ方向の側面図（一部破断）である。
【図６】ロータ側のスキュー角についての説明図である。
【図７】全スキュー角θskewと誘起電圧の１次成分との関係を示す説明図である。
【図８】マグネットスキュー角θｍとコギングトルクとの関係を示す説明図である。
【図９】全スキュー角θskewと誘起電圧の高調波成分含有率との関係を示す説明図である。
【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    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
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
θskew  全スキュー角
θｍ    マグネットスキュー角
θｓ    スタータスキュー角
【図１】
2009213283.tif 000003
【図２】
2009213283.tif 000004
【図３】
2009213283.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2009213283.tif 000008
【図７】
2009213283.tif 000009
【図８】
2009213283.tif 000010
【図９】
2009213283.tif 000011