JP2008141803A - ブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

【課題】各相の巻線をそれぞれ直列に接続することなくロストルクの発生を抑止または抑制した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６は１０個の永久磁石６５１ａ〜６５１ｊを含むロータ６５と、１２個の巻線６１２ａ〜６１２ｌが１つずつ巻き付けられた１２個のティース（突極）６１１ａ〜６１１ｌを含むステータ６１とを備える。ここで、上記１２個の巻線は、直列接続される同数の巻線からなる巻線群であって、それぞれの誘起電圧の大きさおよび位相が略一致するよう並列に接続される２個の巻線群を各相毎に含む。この結線により循環電流の発生を抑止することができ、また１０極１２スロットの構成により、モータのインピーダンスを小さくすることで、ブラシレスモータ６におけるロストルクの発生を抑止または抑制し、さらにコギングを抑制することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、界磁を形成するための永久磁石を備えるブラシレスモータに関し、より詳しくは車両のステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置に使用されるブラシレスモータに関する。

従来から、運転者がハンドル（ステアリングホイール）に加える操舵トルクに応じてブラシレスモータなどの電動モータを駆動することによりステアリング機構に操舵補助力を与える電動パワーステアリング装置が用いられている。

このような電動パワーステアリング装置に通常使用されるブラシレスモータは、巻線（コイル）が設けられた固定子（ステータ）と永久磁石が設けられた回転子（ロータ）とを備えた永久磁石電動モータであって、３相電力で駆動されるものが多い。

また、この固定子の巻線は、各相毎に通常複数が設けられている。これらの巻線は典型的には各相毎に直列に接続されることが多い。例えば、永久磁石の極数（以下単に「極数」という）が８であり、固定子（ステータ）に設けられる突極（ティース）の数（この数は突極間の空隙の数に等しいので以下「スロット数」とも呼ぶ）が９である電動パワーステアリング装置に使用される従来の電動モータには、各相毎に３つの巻線がそれぞれ直列に接続される構成のものがある（特許文献１を参照）。

しかし、上記従来の電動モータのように巻線を直列に接続する構成では、渡り線が長くなるためインピーダンスが大きくなり、その結果として銅損が大きくなる。そこで、各相毎に複数の巻線をそれぞれ全て並列に接続する従来の電動モータがある。図６は、このように巻線を接続した１０極１２スロットの従来の電動モータにおいて、Ｕ相巻線の結線を示す回路図である。図６に示されるように、４つのＵ相巻線としての第１から第４までのコイル９０１〜９０４は、それぞれその一端をＵ相端子９１０に接続されており、その他端を各相の中性点である中性点端子９２０に接続されている。
特開２００１−２７５３２５号公報

しかし、図６に示すように並列の結線をすると、直列に結線する場合には生じない損失（ロストルク）が発生することになる。すなわち、第１のコイル９０１における誘起電圧をＥｃ１＝ｓｉｎ（θ）とするとき、第２から第４までのコイル９０２〜９０４における誘起電圧Ｅｃ２〜Ｅｃ４は次式（１）〜（３）のように表すことができる。
Ｅｃ２＝ｓｉｎ（θ−π／６） …（１）
Ｅｃ３＝ｓｉｎ（θ） …（２）
Ｅｃ４＝ｓｉｎ（θ−π／６） …（３）

このように、第１のコイル９０１および第２のコイル９０２の間と、第３のコイル９０３および第４のコイル９０４の間とは、それぞれ誘起電圧にπ／６の位相ずれがあるので、これらのコイル間に図６に示す電流Ｉ１，Ｉ２（すなわち循環電流）が流れる。このような循環電流は電動モータのロストルクを発生させる。その結果、電動パワーステアリング装置におけるハンドル戻りの悪化などの操作フィーリングの低下が生じる。

また、上記のように永久磁石の極数が多くなると、相対的に突極（ティース）の幅が狭くなるのでその剛性が低下するとともに電動モータの騒音や振動を発生させることがある。この点にのみ着目すれば突極（ティース）の幅を広くすることが好ましいが、一般的に突極（ティース）の磁束密度が低下すると電動モータのインダクタンスが大きくなる。そして、インダクタンスが大きいモータは銅損が大きく、銅損は電動モータを発熱させてロストルクを発生させるので、上記循環電流が発生する場合と同様、結果として電動パワーステアリング装置におけるアシスト力不足などの操作フィーリングの低下が生じる。

そこで本発明は、各相の巻線をそれぞれ直列に接続することなく、ロストルクの発生を抑止または抑制したブラシレスモータおよびそれを備える電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、３相電力により駆動されるＹ結線された複数の巻線を含む円環状の固定子と、前記固定子の内側に配されて当該固定子に対して回転自在に支持されており周方向に複数の極を形成する永久磁石を含む回転子とを備えるブラシレスモータであって、
前記固定子は、
前記複数の巻線を１つずつ施されており、前記回転子に向かってそれぞれ突き出るよう円周方向に沿って等しい間隔を空けて配設された同じ大きさの複数のティース部と、
前記複数のティース部が結合される円環状のヨーク部と
を含み、
前記複数の巻線は、直列接続される同数の巻線からなる複数の巻線群であって、それぞれの誘起電圧の大きさおよび位相が略一致するように選ばれた複数の巻線群を並列接続して各相毎に含み、
前記永久磁石の極数は、９以上の３の倍数個が設けられる前記ティース部の数よりも少なく、かつ前記ティース部の数の２／３よりも多いことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記複数の巻線群は、前記ティース部の数と前記永久磁石により形成される極の数との差の絶対値の約数のうちの１つと同じ数だけ設けられることを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、
前記ティース部は、１２個設けられ、
前記永久磁石は、１０個の極を形成することを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明に記載のブラシレスモータを備え、
とにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与えることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、永久磁石の極数がティース部の数よりも少ないことによりインピーダンスを小さくすることができ、永久磁石の極数がティース部の数の２／３よりも多いことによりコギングを抑制することができる。また、複数の巻線が、直列接続される同数の巻線からなる巻線群であって、それぞれの誘起電圧の大きさおよび位相が略一致するように選ばれた複数の巻線群を並列接続して各相毎に含むことにより、循環電流の発生を抑止することができる。以上により、ロストルクの発生を抑止または抑制することができ、かつコギングを抑制することができる。

上記第２の発明によれば、巻線群が｜（ティース部の数−永久磁石の極数）｜の約数のうちの１つと同じ数だけ設けられるので、循環電流の発生を抑止することができ、ロストルクの発生を抑止または抑制することができる。

上記第３の発明によれば、実用的なブラシレスモータにおいて、特にロストルクの発生を抑止または抑制することができ、かつコギングを抑制することができる。

上記第４の発明によれば、上記第１の発明と同様の効果を奏するブラシレスモータを備える電動パワーステアリング装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
＜１． 全体構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成を、それに関連する車両構成と共に示す概略図である。この電動パワーステアリング装置は、操舵のための操作手段としてのハンドル（ステアリングホイール）１００に一端が固着されるステアリングシャフト１０２と、そのステアリングシャフト１０２の他端に連結されたラックピニオン機構１０４と、ハンドル１００の回転位置を示す舵角を検出する舵角センサ２と、ハンドル１００の操作によってステアリングシャフト１０２に加えられる操舵トルクを検出するトルクセンサ３と、ハンドル操作（操舵操作）における運転者の負荷を軽減するための操舵補助力を発生させるブラシレスモータ６と、その操舵補助力をステアリングシャフト１０２に伝達する減速ギヤ７と、車載バッテリ８からイグニションスイッチ９を介して電源の供給を受け、舵角センサ２や、トルクセンサ３、車速センサ４からのセンサ信号に基づきブラシレスモータ６の駆動を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）５とを備えている。

このような電動パワーステアリング装置を搭載した車両において運転者がハンドル１００を操作すると、その操作による操舵トルクがトルクセンサ３によって検出されると共に舵角が舵角センサ２によって検出され、検出された操舵トルクおよび舵角と車速センサ４によって検出された車速とに基づいてＥＣＵ５によりブラシレスモータ６が駆動される。これによりブラシレスモータ６は操舵補助力を発生し、この操舵補助力が減速ギヤ７を介してステアリングシャフト１０２に加えられることにより、操舵操作における運転者の負荷が軽減される。すなわち、ハンドル操作によって加えられる操舵トルクとブラシレスモータ６の発生する操舵補助力によるトルクとの和が、出力トルクとして、ステアリングシャフト１０２を介してラックピニオン機構１０４に与えられる。これによりピニオン軸が回転すると、その回転がラックピニオン機構１０４によってラック軸の往復運動に変換される。ラック軸の両端はタイロッドおよびナックルアームから成る連結部材１０６を介して車輪１０８に連結されており、ラック軸の往復運動に応じて車輪１０８の向きが変わる。

＜２． ブラシレスモータの構成＞
図２は、ブラシレスモータ６の回転軸に対する垂直断面図である。図２に示されるように、このブラシレスモータ６は回転軸であるモータ軸６６の軸回りに回転するロータ（回転子）６５と、このロータ６５を囲むように狭い隙間（エアギャップ）を空けて設けられるステータ（固定子）６１とを備えている。

ロータ６５は、その周方向に１０個の永久磁石６５１ａ〜６５１ｊが配されることにより、周方向に１０極を有する状態となっている。これらの永久磁石６５１ａ〜６５１ｊは、径方向（回転軸に垂直な方向）に着磁する希土類ネオジウム系の磁石であって、周方向にＮ極とＳ極とが交互に配されるように並べられている。なお、前述したように、上記永久磁石の極数を単に「極数」と呼ぶ。

ステータ６１は、筒状のヨーク６１５と、このヨーク６１５の内周面からモータ軸６６に向かって突き出すように設けられる１２個のティース（突極）６１１ａ〜６１１ｌとを含む。これらのティース６１１ａ〜６１１ｌには、対応する巻線６１２ａ〜６１２ｌが巻き付けられており、これらの巻線に所定の電流が流れることにより、ステータ６１はその周方向に１２極を有する状態となる。なお、前述したように、上記ステータ６１の極数に対応するティース数（すなわち巻線数）を「スロット数」と呼ぶ。したがって、本ブラシレスモータ６は１０極１２スロットのモータであり、極数よりもスロット数が多い点に特徴を有しているが、詳しくは後述する。

ここで巻線６１２ａ〜６１２ｌは、具体的には４つずつ３組の巻線がＵ相、Ｖ相、またはＷ相の電力により駆動されるよう、図示されない三相電力源に適宜接続されている。なおここでは後述するようにＹ結線方式が採用されている。上記三相電力源は、例えば上記各相に対応するパルス幅を制御された電圧信号であるパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を出力することにより、ブラシレスモータ６の回転を制御する。なおこのような巻線の構成は、ロストルクの発生を抑止または抑制するように工夫された巻線の各相毎の結線（接続関係）を除いて周知であるので、各相毎の結線以外の詳しい説明は省略し、以下図３を参照して本ブラシレスモータ６に特有な巻線の結線について説明する。なお、３相に対応する３組の巻線は前述したようにＹ結線されており、各組の巻線をそれぞれＵ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線と呼ぶものとする。

図３は、１０極１２スロットである本ブラシレスモータ６において、Ｕ相巻線の結線を示す回路図である。図３に示されるように、Ｕ相巻線として機能する４つの第１から第４までの巻線６１２ａ〜６１２ｄのうち、第１および第２の巻線６１２ａ，６１２ｂが直列に接続され、かつ第３よび第４の巻線６１２ｃ，６１２ｄが直列に接続されており、これら直列に接続されている２つの巻線同士は並列に接続されている。また、第１および第３の巻線６１２ａ，６１２ｃの一端は各相の中性点である中性点端子６１４に接続されており、第２および第４の巻線６１２ｂ，６１２ｄの一端はＵ相端子６１３に接続されている。このように巻線を接続することにより、全ての巻線を直列に結線する従来の結線よりもインピーダンスを小さくすることができ、その結果として銅損を小さくすることができる。

また、このように結線しても、循環電流によるロストルクが生じることはない。すなわち、第１の巻線６１２ａにおける誘起電圧をＥ１＝ｓｉｎ（θ）とするとき、第２から第４までの巻線６１２ｂ〜６１２ｄにおける誘起電圧Ｅ２〜Ｅ４は次式（４）〜（６）のように表すことができる。
Ｅ２＝ｓｉｎ（θ−π／６） …（４）
Ｅ３＝ｓｉｎ（θ） …（５）
Ｅ４＝ｓｉｎ（θ−π／６） …（６）

したがって、直列に接続される第１および第２の巻線６１２ａ，６１２ｂの両端の電圧（Ｅ１＋Ｅ２）の大きさおよび位相は、直列に接続される第３および第４の巻線６１２ｃ，６１２ｄの両端の電圧（Ｅ３＋Ｅ４）の大きさおよび位相と一致するので、これらの巻線の間に循環電流が生じることはない。したがって、循環電流によりブラシレスモータのロストルクが発生することがないので、電動パワーステアリング装置におけるハンドル戻りの悪化などの操作フィーリングの低下を未然に防止することができる。

次に、図４を参照して、スロット数よりも極数が少ないブラシレスモータは、スロット数よりも極数が多いブラシレスモータよりもインピーダンスが小さくなることを巻線の詳しい構成とともに説明する。

図４は、本ブラシレスモータにおけるヨークおよびティースの主要部を拡大した図である。図４に示されるように、例えばティース６１１ａには巻線６１２ａが巻き付けられている。より詳しく説明すると、底部に顎部を有する筒状のボビンに対して巻線６１２ａを巻き付け、そのボビンの先端部分に巻線抑え板を圧入し、巻線６１２ａが巻き付けられたボビンをティース６１１ａに挿入することにより巻線６１２ａをティース６１１ａに巻き付けられた状態にする。このようにして巻線６１２ａ〜６１２ｌをティース６１１ａ〜６１１ｌに巻き付ける。このような集中巻きの方式は突極巻きとも呼ばれる。このように複数のスロットに分布して巻く分布巻きを行うことなく集中巻きを行うことにより、有効磁束を形成しない巻線部分をほとんどなくすことができるので、銅損を低減させることができる。

また、図４を参照すればわかるように、本ブラシレスモータ６は、１０極１２スロットであってスロット数よりも極数が少ないので、１つのティースを通過する磁束の密度が高くなる。そのため、ティースの磁束密度が高くなることからインダクタンスが低下し、インピーダンスが低下する。このようにインピーダンスが小さいモータは銅損が小さいので発熱によるロストルクを抑制することができる。

もっとも、永久磁石モータのコギングを抑制する（具体的にはコギングトルクの大きさおよびその変動幅を小さくする）には、スロット数と極数との最小公倍数が大きくなるようにそれらの値を設定することが効果的であることが知られている。この点、本ブラシレスモータ６は、１０極１２スロットであって最小公倍数は十分に大きいため、コギングを抑制することができるが、ロストルクの発生を抑止または抑制しつつ、コギングを抑制するために好適なスロット数と極数との組み合わせについて、図５を参照して説明する。

図５は、上記好適な極数とスロット数との組み合わせを示す図である。図５に示される×印は高い効率を有するがコギングの影響が大きく出ることが知られている極数とスロット数との組み合わせであり、具体的には極数とスロット数との比（すなわち極数：スロット数）が２：３または４：３となる組み合わせである。また、図５に示される○印はコギングが比較的小さいことが知られている実用的なブラシレスモータにおける組み合わせである。さらに、図５に示される◎印は本ブラシレスモータ６における極数とスロット数との組み合わせである。

この図５を参照すると、○印により示される組み合わせの上限および下限は、×印により示される組み合わせに事実上ほぼ一致している。すなわち、○印により示される組み合わせにおける極数は、３相電力で駆動されるため３の倍数個となるスロット数の２／３よりも多く、４／３よりも少なくなる。

もっとも、ブラシレスモータのインピーダンスを小さくすることにより発熱によるロストルクの発生を抑止または抑制するためには、前述したようにスロット数よりも極数を少なくすることが好ましいので、このことを考慮した好適な組み合わせにおける極数は、スロット数の２／３よりも多く、スロット数よりも少なくなる。なお、極数とスロット数とが同数である場合はロータが回転しないので考慮する必要がない。

ここで、さらに巻線間を流れる循環電流によるロストルクの発生を抑止することができる極数とスロット数との組み合わせについて考察する。まず、スロット数が９の場合（すなわち上記比が８：９の場合）、或る１つの相における３つの巻線のうちの１つについて生じる誘起電圧の位相を０°とするとき、当該相における残り２つの巻線について生じる誘起電圧の位相は、それぞれ−２０°および＋２０°となる。したがって、循環電流の発生を防止するには、これら３つの巻線を全て直列に接続するしかない。なお、上記比が１０：９の場合は、極数がスロット数よりも多くなるのでここでは考慮しない。

次に、スロット数が１２の場合（すなわち上記比が１０：１２の場合）、或る１つの相における４つの巻線のうちの１つについて生じる誘起電圧の位相を０°とするとき、当該相における残り３つの巻線について生じる誘起電圧の位相は、それぞれ＋３０°、０°および＋３０°となる。したがって、循環電流の発生を防止するには、これら複数の巻線を全て直列に接続するか、または上記位相が０°となる１つの巻線と上記位相が＋３０°となる１つの巻線を直列に接続したものを１組として、この１組と残りの巻線を直列に接続した１組とを並列に接続することが考えられる。この並列に接続した結線が本ブラシレスモータ６における結線であって、前述した図３に示されるとおりである。

続いて、スロット数が１５の場合（すなわち上記比が１４：１５の場合）、或る１つの相における５つの巻線のうちの１つについて生じる誘起電圧の位相を０°とするとき、当該相における残り４つの巻線について生じる誘起電圧の位相は、それぞれ＋１２°、−１２°、＋２４°および−２４°となる。したがって、循環電流の発生を防止するには、これら複数の巻線を全て直列に接続するしかない。

また、スロット数が２１の場合（すなわち上記比が２０：２１の場合）、或る１つの相における７つの巻線のうちの１つについて生じる誘起電圧の位相を０°とするとき、当該相における残り６つの巻線について生じる誘起電圧の位相は、それぞれ＋８．６°、−８．６°、＋１７．１°、−１７．１°、＋２５．７°、および−２５．７°となる。したがって、循環電流の発生を防止するには、これら複数の巻線を全て直列に接続するしかない。

このように、複数の巻線の組は、スロット数であるティース部の数と永久磁石により形成される極数との差の絶対値の約数のうちの１つと同じ数だけ設けられることになる。すなわち、８極９スロットの場合は、上記約数は１のみとなって、複数の巻線は直列、すなわち並列数１で接続される。このことは、例えば上記１４極１５スロットの場合および２０極２１スロットの場合も同様である。しかし、１０極１２スロットの場合には、上記約数は１および２となり、並列数２で接続される組み合わせは、全て直列に接続する場合よりもインピーダンスが小さくなる。したがって図５に示される組み合わせのうち、本ブラシレスモータ６において採用されている極数が１０でありスロット数が１２である組み合わせが実用的なブラシレスモータにおいて極めて好適であることがわかる。

＜３． 効果＞
以上のように、本ブラシレスモータ６は、１０個の永久磁石６５１ａ〜６５１ｊにより形成される永久磁石の極数が（１２個の巻線６１２ａ〜６１２ｌの数に等しい）１２個のティース６１１ａ〜６１１ｌの数よりも少ないことによりインピーダンスが小さくなり、このティース数の２／３よりも多いことによりコギングを抑制することができる。また、巻線６１２ａ〜６１２ｌは、それぞれの誘起電圧の大きさおよび位相が略一致するよう並列に接続される第１および第２の巻線６１２ａ，６１２ｂと第３および第４の巻線６１２ｃ，６１２ｄのように、直列接続される同数の巻線からなる巻線群であって、それぞれの誘起電圧の大きさおよび位相が略一致するよう並列に接続される２個の巻線群を各相毎に含むことにより、循環電流の発生を抑止することができる。

したがって、このようにロストルクの発生が抑止または抑制されコギングが抑制されたブラシレスモータ６を搭載した本実施形態に係る電動パワーステアリング装置は、ハンドル戻りの悪化などの操作フィーリングの低下を抑制することができる。

＜４． 変形例＞
上記実施形態では、第１の巻線６１２ａがティース６１１ａに巻き付けられ、第２の巻線６１２ｂがティース６１１ｂに巻き付けられ、第３の巻線６１２ｃがティース６１１ｃに巻き付けられ、第４の巻線６１２ｄがティース６１１ｄに巻き付けられる構成であるが、このような対応関係に限定されるわけではなく、例えば、第３の巻線６１２ｃがティース６１１ｂに巻き付けられ、第２の巻線６１２ｂがティース６１１ｄに巻き付けられる構成であってもよい。また、第２の巻線６１２ｂがティース６１１ｄに巻き付けられ、第３の巻線６１２ｃがティース６１１ｇに巻き付けられ、第４の巻線６１２ｄがティース６１１ｊに巻き付けられる構成、すなわち各相毎に巻線が３つのティース毎に右回りに順に巻き付けられる構成であってもよい。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置の構成をそれに関連する車両構成と共に示す概略図である。 上記実施形態におけるブラシレスモータの回転軸に対する垂直断面図である。 上記実施形態におけるブラシレスモータにおいて、Ｕ相巻線の結線を示す回路図である。 上記実施形態におけるブラシレスモータのヨークおよびティースの主要部を拡大した図である。 上記実施形態において、ロストルクの発生を抑止または抑制しつつコギングを抑制するために好適なスロット数と極数との組み合わせを示す図である。 従来の１０極１２スロットのブラシレスモータにおいて、Ｕ相巻線の結線を示す回路図である。

符号の説明

２ …舵角センサ
３ …トルクセンサ
４ …車速センサ
５ …電子制御ユニット（ＥＣＵ）
６ …ブラシレスモータ
６１ …ステータ
６５ …ロータ
６６ …モータ軸
６１１ａ〜６１１ｌ …ティース
６１２ａ〜６１２ｌ …巻線
６１３ …Ｕ相端子
６１４ …中性点端子
６１５ …ヨーク
６５１ａ〜６５１ｊ …永久磁石

Claims (4)

1. ３相電力により駆動されるＹ結線された複数の巻線を含む円環状の固定子と、前記固定子の内側に配されて当該固定子に対して回転自在に支持されており周方向に複数の極を形成する永久磁石を含む回転子とを備えるブラシレスモータであって、
   前記固定子は、
   前記複数の巻線を１つずつ施されており、前記回転子に向かってそれぞれ突き出るよう円周方向に沿って等しい間隔を空けて配設された同じ大きさの複数のティース部と、
   前記複数のティース部が結合される円環状のヨーク部と
   を含み、
   前記複数の巻線は、直列接続される同数の巻線からなる複数の巻線群であって、それぞれの誘起電圧の大きさおよび位相が略一致するように選ばれた複数の巻線群を並列接続して各相毎に含み、
   前記永久磁石の極数は、９以上の３の倍数個が設けられる前記ティース部の数よりも少なく、かつ前記ティース部の数の２／３よりも多いことを特徴とする、ブラシレスモータ。
2. 前記複数の巻線群は、前記ティース部の数と前記永久磁石により形成される極の数との差の絶対値の約数のうちの１つと同じ数だけ設けられることを特徴とする、請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記ティース部は、１２個設けられ、
   前記永久磁石は、１０個の極を形成することを特徴とする、請求項１に記載のブラシレスモータ。
4. 請求項１に記載のブラシレスモータを備え、
   前記ブラシレスモータは、車両操舵のための操作手段による操作に応じて駆動されることにより当該車両のステアリング機構に操舵補助力を与えることを特徴とする、電動パワーステアリング装置。

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