JP2000184627A - トロイダルコア型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 巻線密度を上げ、巻線作業後の端末処理、巻
線後のステータの位置決め並びにその固定方法を改善
し、作業性がよいステータ部を有するトロイダルコア型
アクチュエータ提供する。 【解決手段】 軟磁性材からなる中空円筒状のコアに巻
線を施したステータと、円周方向にN極とS極が交互にm
個配置された永久磁石で構成され、前記ステータのコア
内に微小エアギャップを介して回転自在に配置されたロ
ータとを有するトロイダルコア型アクチュエータにおい
て、前記中空円筒状コアの周面上に非磁性材から成るｍ
個の相分離材を３６０°/ｍで離間配置し、前記相分離
材で分割された巻線領域に巻線を施した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、トロイダルコア型
アクチュエータの構造、特に、巻線および取付け作業が
容易でコストダウン可能なトロイダルコア型アクチュエ
ータのステータ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】トロイダルコア型アクチュエータはその
回転軸が反復回転動作するアクチュエータであり、反復
回転動作は１８０°（±９０°）以下であるが、その動
作角度範囲内では一定トルクを発生することが望まれ
る。つまり、同一電流では発生トルクが角度依存性を持
たない特性が必要である。このためには中空円筒状コア
の円周に巻線を巻回してコイルとしたものをステータと
し、中空円筒状コア内に永久磁石からなるロータを微小
エアギャップを介して回転自在に配設して構成したいわ
ゆるトロイダルコア型アクチュエータ構成とすることが
一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、トロイダルコ
ア型アクチュエータは、中空円筒状コアを芯にしてその
周上にコイルを巻くので特殊な巻線機が必要であること
は当然であるが、それ故に巻線作業が煩雑になるのみな
らず、巻線の巻き崩れ、巻線作業後の端末処理、巻線後
のステータとロータとの位置決め並びにその固定方法等
が問題となり、作業性がよいステータ部を安定して構成
することができないという欠点があった。

【０００４】さらには、中空円筒状のコアは周方向での
パーミアンス（磁気抵抗の逆数）を一定にする必要があ
ることから、高い寸法精度が要求されている。このた
め、ブロック材から機械加工して削り出したり、表面を
絶縁処理した電磁鋼板を円盤状にプレスで打ち抜き、軸
方向に積層してステータを構成している。機械加工では
寸法精度は出るが加工コスト上がるという問題がある
し、積層方式では高価な金型が必要となり、且つカシメ
精度等の問題がある。そこで安価に構成できるステータ
構造が求められていた。

【０００５】本発明は、上記の点に鑑み、巻線密度を上
げ、巻線作業後の端末処理、巻線後のステータの位置決
め並びにその固定方法を改善し、作業性がよいステータ
部を有するトロイダルコア型アクチュエータ提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、軟磁性材からなる中空円筒状
のコアに巻線を施してコイルとしたステータと、円周方
向にN極とS極が交互にm個配置された永久磁石で構成さ
れ、前記ステータのコア内に微小エアギャップを介して
回転自在に配置されたロータとを有するトロイダルコア
型アクチュエータにおいて、前記中空円筒状コアの周面
上に非磁性材から成るｍ個の相分離材を３６０°/ｍで
離間配置し、前記相分離材で分割された巻線領域に巻線
を施した。

【０００７】相分離材は絶縁性樹脂で構成するするのが
好ましい。

【０００８】中空円筒状コアに設けられたｍ個の相分離
材の最内径部の寸法は等しく、コアに巻回されたコイル
の最内径寸法より小さく設定するのが好ましい。

【０００９】また、中空円筒状コアに設けられたｍ個の
相分離材の最外径部の寸法は等しく、コアに巻回された
コイルの最外径寸法より大きく設定するのが好ましい。

【００１０】また、相分離材にはコアと巻線間を電気的
に絶縁する絶縁部を一体的に設けるのが好ましい。

【００１１】また、相分離材の少なくとも１つには、１
つ以上のコイルからげ用の端子を設けるのが好ましい。

【００１２】また、コアは同一幅の軟磁性薄帯をロール
状に丸めて構成するのが好ましい。

【００１３】また、ロール状磁性薄帯は、巻き始めの最
内周端から順次連続的に幅広となるテーパ部分を有する
のが好ましい。

【００１４】また、前記テーパ部はコア最内周部をほぼ
1周とするのが好ましい。

【００１５】さらにまた、中空円筒状コアはパイプ状軟
磁性材を芯として、その上に同一幅の磁性薄帯をロール
状に巻回して構成するのが好ましい。

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の態様を説明す
る。

【００１６】先ず、トロイダルコア型アクチュエータの
原理について図１を参照して説明する。

【００１７】図１（ａ）は原理を説明するためのアクチ
ュエータの正面図を示し、図１（ｂ）は同アクチュエー
タの側面部分断面図を示す。図示した例は、ロータ磁石
の磁極数を２とし、相分離材の数を２としたアクチュエ
ータで、コイルは１層の場合である。

【００１８】アクチュエータの構成は次のとおりであ
る。ロータ部は磁石１と回転軸２から構成されており、
回転軸２は軸受（図示せず）で回転自在に固定されてい
る。ステータ部はコイルの巻き芯となっているコア３に
電気的絶縁処理を施した後、コイル４がその周囲に本図
では１層巻回されて成り、コイル４は上部コイル（Ａ相
コイル）４Ａと下部のコイル（Ｂ相コイル）４Ｂとから
成り、図ではこれらのコイル４Ａと４Ｂは直列に接続さ
れている。

【００１９】動作原理は次のとおりである。

【００２０】いま仮に、図１（ａ）のコイル４に矢印の
向きに直流電流を流せば、Ａ相コイル４Ａは巻き始め側
(図の左端）がＳ極に、巻き終わり側（図の右端）がＮ
極に励磁される。一方、Ｂ相コイル４Ｂも巻き始め側
（図の右端）がＮ極、巻き終わり側（図の左端）がＳ極
に励磁される。その結果、ロータ磁石１のＳ極はコイル
の右端（Ｎ極）に、逆にロータ磁石１のＮ極はコイルの
左端（Ｓ極）に吸引され、矢印（ＣＣＷ）の向きのトル
クが発生する。もちろん、コイル４Ａ、４Ｂに流す電流
の向きを逆にすれば、コイルの作る磁極の向きは逆にな
り、結果としてロータ磁石１はＣＷの向きのトルクを発
生する。なお、図１（ａ）に示すように、ロータ磁石１
の磁極が垂直の場合には発生トルクは最大となり、磁極
が水平の場合（図１（ａ）の状態から左右に９０°回転
した状態）にはトルク零の状態である。 また、図１
（ａ）のようにコイルを励磁したとき、コイルのＮ極の
向きをＸ軸とし、且つ、そのＸ軸とロータ磁石のＮ極の
向きとが成す角度をθ°（図１（ａ）の状態はθ＝９０
°）とすれば、θが０°から１８０°の範囲はＣＣＷ方
向のトルクが発生し、θが１８０°から３６０°の範囲
ではＣＷ方向のトルクを発生する。なお、θが０°と１
８０°ではトルクは零であることは前述したとおりであ
る。

【００２１】図２はアクチュエータの角度ートルク特性
の一例を示す。図示した例はロータの磁極数ｍが２のア
クチュエータの特性であり、グラフは電流が２Ａ、４
Ａ、６Ａの条件のものである。図より、トルクのフラッ
ト範囲はほぼ９０°度であり、動作開閉角９０°が可能
であることがわかる。また、入力電流値にほぼ正比例し
てトルクが増大していることもわかる。

【００２２】次に、本発明において重要な要素である相
分離材について図３を用いて説明する。

【００２３】図３は、図１で説明した２個の相分離材を
有するアクチュエータの正面図を示しており、相分離材
１０ａ、１０ｂはコイルの巻き始め部と巻き終わり部の
２箇所（ロータ磁石の磁極数と同一数である）に本実施
例では１８０°の位置関係で配置される。この相分離材
１０ａ、１０ｂはコイル巻き始め／巻き終わ時の土手の
役目をする効果があり、コイルの巻き崩れを防止すると
同時に、一定の高い巻線密度で巻線できる特徴がある。
実際には、特性を向上させるために巻線を複数層（図４
で詳述する）施さなければならないために特にその効果
が著しい。相分離材１０ａ、１０ｂの中心角α度は小さ
ければ小さいほど、巻線に割り当てるスペースが広く取
れ、多巻線化が可能となり、特性上有利であるが、本実
施の形態ではαは１０°とした。α＝１０°程度であれ
ば巻線スペースが十分確保でき且つ巻き崩れ防止にも役
立つ。

【００２４】なお、この相分離材１０ａ、１０ｂの中心
角αが内径部と外径部で異なる場合があるが、本発明で
はその場合、実質的に土手をなしている部分の最大角度
とする。相分離材１０ａ、１０ｂの数は先にも述べたよ
うに、ロータ磁石の磁極数ｍと同数とする必要がある。
その理由は、本アクチュエータではロータ磁石の磁極数
ｍと同じ数の相数のステータコイルが必要であり、これ
らの数のコイルをコア３に均等に配置するには、同じ数
の相分離材が必要となるからである。相分離材１０ａ、
１０ｂが非磁性でなければならないのは、相分離材が磁
性だとコアの周方向の磁気抵抗が均一ではなくなり、結
果として、トルクフラット範囲が広く取れなくなる欠点
があるからである。１００は相分離材１０ａ、１０ｂを
コア３に固定するための非磁性のネジを示しているが、
相分離材１０ａ，１０ｂとコア３の固定はネジ止に限る
ものではない。

【００２５】次に、図３の実施の形態におけるステータ
部を樹脂で一体モールドする第２の実施の形態について
図４に示した。図４の如く巻線後のステータ部を相分離
材１０の内径部Ｒ１および外径部Ｒ２を基準としてモー
ルド金型を作り、樹脂１０００で一体的にモールドして
仕上げれば、ステータ内径／外径の必要寸法が正確に確
保できる。特に、巻き上がり寸法が一定しないコイル４
の最内径Ｒｃ１、最外径Ｒｃ２を相分離材１０の最内径
Ｒ１、最外径Ｒ２を用いて、次の数１で定められるよう
に設定すればよい。

【００２６】

【数１】 Ｒ１＝Ｒｍ１≦Ｒｃ１ かつ Ｒ２＝Ｒｍ２≧Ｒｃ２ なお、Ｒｍ１は樹脂モールド後の内径寸法、Ｒｍ２は外
形寸法を示す。図４ではＲ１＝Ｒｍ１且つＲ２＝Ｒｍ２
の例を示しているが、Ｒｍ１≦Ｒｃ１ が確保されれば
コア内周部のコイルは樹脂で完全に封止されるし、ま
た、Ｒｍ２≧Ｒｃ２が確保されればコア外周のコイルは
樹脂で完全封止されるので、コイル巻き上がり寸法が安
定しないステータに対して組立／組付け時にも基準寸法
を与えることができる。また、樹脂モールド後のステー
タ樹脂部（相分離材１０部を含む）に位置出し用ダボや
取り付けフランジ等を一体的に設ければなお手離れがよ
くなる。さらには、回転軸２の回転止め用ストッパ部を
一体的に形成してもよい。

【００２７】図５は本発明によるトロイダルコア型アク
チュエータのステータ部の第３の実施の形態を示す。

【００２８】本実施の形態は相分離材とコイル絶縁材と
を一体化したいわゆる一体型相分離材の例であり、この
ように一体化した相分離材２０Ｕ、２０Ｌをコア３に対
して上下から挟み込んだ構成のステータ構造とすれば、
コア３の絶縁処理を行わずに巻線を巻くことができる。
一体型相分離材２０Ｕ、２０Ｌの形状は本実施の形態で
は同一としたが、端子部の配置によっては異なる形状で
もよい。

【００２９】図６は図５に示したトロイダルコア型アク
チュエータの一体型相分離材のうちの上側の相分離材２
ＯＵを示している。相分離材に相当する部分は１０ａ、
１０ｂであり、相分離材が２個の例である。図３と同様
に、相分離材１０ａ、１０ｂは同一形状であり、その中
心角αは１０°である。相分離材１０ａと１０ｂの間の
領域２０ａ、２０ｂに巻線が施される。この領域２０
ａ、２０ｂはできるだけ薄肉（肉厚は0.５ｍｍ以下が好
ましい）にして巻線抵抗の増大を防ぐことが好ましい。

【００３０】図７および図８は一体型相分離材の他の例
を示しており、相分離材部にコイル絡げ用端子３０ａお
よび３０ｂを植設した例を示す。このうち図７は相分離
材１０ａ、１０ｂのそれぞれにコイル絡げ用端子３０ａ
および３０ｂを一本づつ設けた場合を示しているが、図
８のように片方の相分離材部１０ｂに２本のコイル絡げ
用端子３０ａ、３０ｂを設けて、端子部を片側にまとめ
ても配置してもよい。いずれにしてもコイル巻き始め端
と巻き終わり端をこのコイル絡げ用端子３０ａ、３０ｂ
に絡げることにより巻き解れがなくなり、手離れがよい
ステータを製造することができる。

【００３１】さらに図９、図１０、図１１は本発明によ
るトロイダルコア型アクチュエータのコア３の製作方法
についての第４ 、第５、第６の実施の形態を示す。

【００３２】図５ではコア３は機械加工で円筒型に削り
出している場合を示しているが、この製作方法ではコア
の精度は確保されるが、コストアップが避けられない。
そこで図９および図１０の製作方法では表面を絶縁した
軟磁性薄帯をロール状にしてコアを形成しており、図１
１の製作方法はパイプ材５０を巻き芯として、その上に
表面を絶縁した軟磁性薄帯５１をロール状に巻回してコ
アを形成している。

【００３３】図９（ａ）は表面を絶縁した軟磁性体の均
一幅の薄帯４０を示したものであり、図９（ｂ）はその
薄帯４０をロールし始めの状態を示し、図９（ｃ）はロ
ール終了後のコア３の完成体を示す。軟磁性薄帯４０
は、一般的には0.35ｍｍまたは0.5ｍｍ厚の電磁鋼板を
用いる。なお、薄帯が磁気異方性を有する場合には磁化
容易軸を薄帯の長手方向にするのが磁気特性上好まし
い。

【００３４】図１０（ａ）および（ｃ）は図９と同様に
薄帯を用いたコアを示しているが、図９の実施の形態と
異なる点は、図１０（ａ）は薄帯先端（巻き始め）にテ
ーパが付けてある点であり、図１０（ｃ）は薄帯５０の
先端部と末端部の両方に同一形状のナイフ状のテーパが
付けてある点である。なお、図１０（ｂ）は図１０
（ａ）または１０（ｃ）の薄帯５０を巻回して製作した
コア３の完成体を示している。

【００３５】このようにテーパを付けることにより、図
９では周方向のパーミアンスが巻き始めの位置で大きく
変化し、ここでのコギングトルク／トルクリップルの発
生は避けられないが、図１０（ａ）および（ｃ）に示す
ように、薄帯５０の巻き始め先端部や巻き終わり終端部
にテーパを付ければ周方向のパーミアンス変化をなだら
かにすることができ、その結果として、コギングトルク
／トルクリップルの発生を抑えることができる。薄帯５
０のテーパ部の長さＬは、コギングトルク／トルクリッ
プルを抑えるという点ではできるだけ長い方がよいが、
長ければ長いほど等価エアギャップ長が大きくなり、ト
ルク特性が低下する欠点がある。

【００３６】図１０（ａ）および（ｃ）ではこのテーパ
部の長さＬはπｄ（ｄは図１０（ｂ）に示すようにコア
完成体の内径）としており、ロール状に巻いたコア３の
最内周だけがテーパ部となるように設定している。この
ことによりコギングトルク／トルクリップルの発生とト
ルク特性の低下を最小限に抑えることができる。特に、
図１０（ｃ）の例では薄帯５０の巻き始め端と巻き終わ
り端に同形状のナイフ状テーパ部が形成されているの
で、材料取りに無駄が出ない利点もある。

【００３７】図１１はコア３のさらに別の製作方法を示
した第７の実施の形態を示しており、この実施の形態は
パイプ材６０を芯としてこれに表面を絶縁した軟磁性薄
帯５１を巻回してコアを製作するものである。図１１
（ａ）は巻き始めの状態を示し、図１１（ｂ）は巻回後
のコア完成体を示している。パイプ材６０の肉厚は巻き
芯としての機能と薄帯巻き始め部のパーミアンス（磁気
抵抗の逆数）の変化を小さくするためにも厚肉が好まし
いが、実験の結果薄帯５１の板厚の３倍から４倍が好ま
しいことがわかった。本実施の形態では、薄帯５１の厚
さ0.3ｔに対してパイプ６０肉厚を1.0ｔとした場合のコ
ギングトルクは1.35Ｎｃｍであるが、切削コアを用いた
場合のコギングトルクは1.15Ｎｃｍ（およそ17％アッ
プ）なので実質的に問題はないレベルであった。

【００３８】上記実施の形態においては、ロータ磁石の
磁極数ｍが２でコイルの巻き層数が１のアクチュエータ
について説明したが、図１２はロータ磁石の磁極数ｍが
４でコイルの層数３のアクチュエータについての第８の
実施の形態を示す。図１と同一の構成部品には同一の符
号を付し、説明に直接関係ない部品の説明は省略した。

【００３９】ロータ磁極数ｍが４であることから相分離
材１０は４つである。またトルク特性を向上させるため
にコイル巻き層数を３層としていることから、コイル巻
き高が高くなり、巻き崩れの可能性が大きくなるおそれ
がある。しかし、本発明の相分離材１０ａ、１０ｂ、１
０ｃ、１０ｄの長さを図のように適切に設定すれば、こ
れがコイル端部に対する土手の役目をしてコイルの巻き
崩れを未然に防ぐことができ、多層の場合においても一
定密度で安定してコイルを巻回することができる。な
お、７０はロータコアで、ロータ磁石の磁気回路の一部
を構成している軟磁性材で構成されたリングである。

【００４０】もちろん図１２の実施例においても、相分
離材を寸法基準としたステータ部の樹脂モールドが可能
であり、図７、図８の実施の形態と同じように相分離材
にコイル絡げ用端子を設けてもよい。また、磁性薄帯を
ロール状にしたコアで構成してもよい。また、本発明で
はコイル層数を１層とか３層に限る理由は全くない。

【発明の効果】本発明によれば、トロイダルコア型アク
チュエータにおいて、相分離材を用いてコイルを分離す
ることにより巻線が巻き易く且つコイル占積率を上げる
ことができる。また、巻線作業後の端末処理及び巻線後
のステータのロータに対する位置決め並びにその固定方
法が改善され、手離れよいステータ部が構成できる。特
にアクチュエータとして重要な寸法となるステータの内
径寸法と外形寸法をモールドにより精度よく一定値に設
定することができる。さらにまた、薄帯をロールしてコ
アを成形することにより安価な円筒状コアが提供でき
る。その結果安価で鉄損の少ないトロイダルコア型アク
チュエータが構成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】トロイダルコア型アクチュエータの構成を示
し、（a）は正面図、(b)は側面部分断面図である。

【図２】トロイダルコア型アクチュエータの角度―トル
ク特性を示す。

【図３】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータ
の第１の実施の形態の正面図を示す。

【図４】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータ
の第２の実施の形態の正面図を示す。

【図５】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータ
のステータ部の実施の形態の分解斜視図を示す。

【図６】図５に示したステータ部に用いられる相分離材
の斜視図を示す。

【図７】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータ
のステータ部の相分離材の一例の斜視図である。

【図８】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータ
のステータ部の相分離材の他の例の斜視図である。

【図９】(a)、（b)、（c）は本発明によるトロイダルコ
ア型アクチュエータのステータ部のコアの製作方法の一
例を順に示す。

【図１０】(a)、（b)、（c）は本発明によるトロイダル
コア型アクチュエータのステータ部のコアの製作方法の
他の例を順に示す。

【図１１】(a)、（b)は本発明によるトロイダルコア型
アクチュエータのステータ部のコアの製作方法のさらに
他の例を順に示す。

【図１２】本発明によるトロイダルコア型アクチュエー
タの他の実施の形態の正面図を示す。

【符号の説明】

１ 磁石 ２ 回転軸 ３ コア ４ コイル、４a Ａ相コイル、４ｂ Ｂ相コイル １０、１０a、１０b 相分離材 ２０a、２０ｂ巻線領域 ３０a、３０b コイル端からげ用端子 ４０ 軟磁性薄帯 ５０、５１ 薄帯 ６０ パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 剛 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−１ ミネベ ア株式会社開発技術センター内 (72)発明者 原田 尚之 静岡県磐田郡浅羽町浅名1743−１ ミネベ ア株式会社開発技術センター内 Ｆターム(参考） 5H002 AA07 AC03 AC07 AE01 AE05 5H621 BB05 GA02 GA05 HH01 JK13

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軟磁性材からなる中空円筒状のコアに巻
   線を施したステータと、 円周方向にN極とS極が交互にｍ個配置された永久磁石で
   構成され、前記ステータのコア内に微小エアギャップを
   介して回転自在に配置されたロータとを有するトロイダ
   ルコア型アクチュエータにおいて、 前記中空円筒状コアの周面上に非磁性材から成るｍ個の
   相分離材を３６０°/ｍで離間配置し、前記相分離材で
   分割された巻線領域に巻線を巻回して成ることを特徴と
   するトロイダルコア型アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記相分離材が絶縁性樹脂から成ること
   を特徴とする請求項１に記載のトロイダルコア型アクチ
   ュエータ。
3. 【請求項３】 前記中空円筒状コアに設けられたｍ個の
   相分離材の最内周部の寸法が等しく、前記コアに巻回さ
   れたコイルの最内周寸法より小さく設定されていること
   を特徴とする請求項１に記載のトロイダルコア型アクチ
   ュエータ。
4. 【請求項４】 中空円筒状コアに設けられたｍ個の相分
   離材の最外径部の寸法は等しく、前記コアに巻回された
   コイルの最外径寸法より大きく設定されていることを特
   徴とする請求項３に記載のトロイダルコア型アクチュエ
   ータ。
5. 【請求項５】 前記相分離材に、コアと巻線との間を電
   気的に絶縁するための絶縁部が一体的に設けられたこと
   を特徴とする請求項２に記載のトロイダルコア型アクチ
   ュエータ。
6. 【請求項６】 前記相分離材の少なくとも１つに、１つ
   以上のコイルからげ用端子が設けられていることを特徴
   とする請求項２に記載のトロイダルコア型アクチュエー
   タ。
7. 【請求項７】 前記コアは同一幅の軟磁性薄帯をロール
   状に丸めて構成したことを特徴とする請求項１に記載の
   トロイダルコア型アクチュエータ。
8. 【請求項８】 前記ロール状軟磁性薄帯は、巻き始めの
   最内周端から順次連続的に幅広となるテーパ部分を有す
   ることを特徴とする請求項７に記載のトロイダルコア型
   アクチュエータ。
9. 【請求項９】 前記テーパ部はコア最内周部のほぼ1周
   であることを特徴とする請求項８に記載のトロイダルコ
   ア型アクチュエータ。
10. 【請求項１０】 前記中空円筒状コアは、パイプ状軟磁
    性材を芯とし、該芯の上に同一幅の磁性薄帯をロール状
    に巻回して構成したことを特徴とする請求項９に記載の
    トロイダルコア型アクチュエータ。