JP2005269766A - 直流電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】 電機子に加わる力のバランスの崩れを抑制して、振動および異音の発生を低減する直流電動機を提供する。
【解決手段】 突起状のティースが放射状に形成された電機子鉄心と、ティースに巻線される電機子巻線と、電機子巻線と電気的に接続され、セグメントで構成される整流子と、この整流子に摺接するブラシとを有する直流電動機であって、ティースの巻線が巻線された部分は少なくとも一つの段付き形状を有し、ティースの段付き形状を有する部分の幅は電機子コアの半径方向内側から外側へ向かうに従って徐々に細くなるように形成されることを特徴とする直流電動機として提供可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数のブラシを有する直流電動機に関するものである。

従来、電動パワーステアリング装置などに使用される直流モータでは、高出力化に伴い、ブラシ１本当たりの負荷電流を軽減する等の目的で、例えば４本以上の多本ブラシを使用することがある。この場合、同極のブラシは、整流子を形成するセグメントに対して同じタイミングで接触するのが理想とされている。

ところが、同極のブラシがそれぞれ対応するセグメントに対し同時に接触するためには、極めて高い精度（各部品の製作誤差が小さく、かつ組付け精度が高いこと）が要求されるため、現実的には、同極のブラシがそれぞれ対応するセグメントに対し同時に接触することは困難である。これにより、セグメントを介して通電される個々の電機子コイルの励磁タイミングのバランスが崩れるため、結果として、モータの電機子に加わる力のバランスが崩れ、振動および異音が発生する原因となる。電動パワーステアリング装置においては、この振動および異音の発生がドライバーに不快感を与える等、性能および製品上の大きな問題となる。

図８は、従来からモータに用いられている電機子の構成を示す部分説明図である（特許文献１参照）。図８に示すように、従来の電機子５１０は、環状体からなる鉄心本体５１２に突起状のティース５１３が放射状に複数形成されてなる電機子鉄心５１１を有して構成されている。ティース５１３には、断面略四角形状からなる巻線巻回部５１３ａが形成されており、この巻線巻回部５１３ａには、巻線５１４が例えば３重に巻回されている。これにより、ティース５１３に、第１重目の巻線部５１４−１，第２重目の巻線部５１４−２，第３重目の巻線部５１４−３が形成されている。そして、上記構成からなる従来の電機子５１０では、巻線５１４を互いに密着させるために、巻線５１４にテンションを掛けた状態で、図示しない巻線巻回装置を第１重目の巻線部５１４−１および第３重目の巻線部５１４−３を電機子５１０の外周方向であるＹ方向、第２重目の巻線部５１４−２を電機子５１０の中心方向であるＸ方向に向かって順に移動させるようにして、巻線５１４を巻線巻回部５１３ａに巻くようにしている。しかしながら、第３重目の巻線部５１４−３を形成するとき、テンションをかけながら巻線５１４を巻線部５１４−２の外側に巻くと、巻線部５１４−２はＸ方向へ押し退けられて整列状態が崩されてしまうという不具合があった。この結果、モータの電機子に加わる力のバランスが崩れ、振動および異音が発生する。

そこで電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルを一対のセグメントに対し直列に接続する構成が考案されている（特許文献２参照）。この構成によれば、一対のセグメントに接続される２個の電機子コイルには、必ず同時かつ同一量の電流が流れるので、２個の電機子コイルに発生する励磁力は、点対称位置で常に等しくなる。これにより、一対のセグメントに繋がる１つの巻線で励磁バランスが取れているため、同極のブラシが２本以上ある場合に、各ブラシのセグメントに対する接触タイミングがずれたり、各ブラシの抵抗差による電流差があっても、振動を抑えることができる。

特開２００４−６４９８２号公報 特開２００２−５８２２７号公報

特許文献２の例では、電機子巻線を電機子鉄心の１８０°相対する位置にコイル抵抗が略等しくなるように巻く構成となっているが、従来のコアティース部は窪みの付いていない形状になっており、コイルを巻いた状態では、電機子コア内のコイルは特許文献１の例と同様に整列状態が崩され不規則に並び易い。このため、電機子に加わる力のバランスが崩れ振動や異音が発生し易く、対応としては不十分である。

上記問題点を背景とし、本発明の課題は、複数のブラシを有する直流電動機において、電機子に加わる力のバランスの崩れを抑制して、振動および異音の発生を低減することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

本発明は、上記課題を解決するための直流電動機を提供するものである。即ち、請求項１によれば、突起状のティースが放射状に形成された電機子鉄心と、ティースに巻線される電機子巻線と、電機子巻線と電気的に接続され、セグメントで構成される整流子と、この整流子に摺接するブラシとを有する直流電動機であって、電機子巻線は、電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルが一対のセグメントに対し直列に接続されていることを特徴とする直流電動機として構成される。

本発明の直流電動機における電機子巻線は、電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルが一対のセグメントに対し直列に接続されている。この構成によれば、一対のセグメントに接続される２個の電機子コイルには、必ず同時かつ同一量の電流が流れるので、２個の電機子コイルに発生する励磁力は、点対称位置で常に等しくなる。これにより、一対のセグメントに繋がる１つの巻線で励磁バランスが取れているため、同極のブラシが２本以上ある場合に、各ブラシのセグメントに対する接触タイミングがずれることもなく、各ブラシの抵抗差による電流差があっても振動を抑えることができる。

また、請求項２によれば、本発明の直流電動機は、突起状のティースが放射状に形成された電機子鉄心と、ティースに巻線される電機子巻線と、電機子巻線と電気的に接続され、セグメントで構成される整流子と、この整流子に摺接するブラシとを有する直流電動機であって、電機子巻線は、電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルが一対のセグメントに対し並列に接続され、かつ両電機子コイルの抵抗が略等しくなるように巻線されていることを特徴とする直流電動機として構成される。

本発明の直流電動機における電機子巻線は、電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルが一対のセグメントに対し並列に接続され、かつ両電機子コイルの抵抗が略等しくなるように巻線されている。この構成によれば、一対のセグメントに接続される２個の電機子コイルには、同時かつ略同一量の電流が流れるので、２個の電機子コイルに発生する励磁力は、点対称位置で略等しくなる。これにより、一対のセグメントに繋がる１つの巻線で励磁バランスが取れているため、同極のブラシが２本以上ある場合に、各ブラシのセグメントに対する接触タイミングがずれることもなく、各ブラシの抵抗差による電流差があっても振動を抑えることができる。

請求項３によれば、本発明の直流電動機は、ティースの巻線が巻線された部分は少なくとも一つの段付き形状を有し、ティースの段付き形状を有する部分の幅は電機子鉄心の半径方向内側から外側へ向かうに従って徐々に細くなるように形成される構成をとる。本構成によって、電機子巻線の整列状態が崩されたとしても、ティースの段付き形状を有する部分で整列状態の崩れを食い止めて、電機子巻線に加わる力のバランスの崩れを局所的なものとすることができる。その結果、電機子巻線の抵抗が同じになるだけでなく、電機子全体の重心位置も理想位置により近くできることで、振動および異音の発生を低減することができる。

請求項４によれば、本発明の直流電動機は、段付き形状を形成する全ての辺の長さおよび隣接するティースの距離が巻線の線径の倍数となる構成をとる。ティースの各巻線が入る部分の寸法を巻き線径の倍数と同じになるよう設定すれば、巻線はその数しか入らない。よって、巻線は規則的に整列状態で並び、電機子に加わるバランスが保たれ振動や異音が発生しなくなる。仮に、電機子巻線の整列状態が崩されたとしても、ティースの段付き形状を有する部分で整列状態の崩れを食い止めて、電機子巻線に加わる力のバランスの崩れを局所的なものとすることができる。

請求項５によれば、本発明の直流電動機は、運転者のステアリング動作に基づいて、モータを駆動して、ステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両における電動パワーステアリング制御装置におけるモータに適用されることを特徴とする。本構成によって、セグメントを介して通電される個々の電機子巻線の励磁タイミングのバランスが崩れないため、電機子に加わる力のバランスも崩れず、振動および異音は発生しない。よって、ドライバーに不快感を与えることもなく、性能および製品の品質も向上する。

複数のブラシを有する直流電動機において、電機子に加わる力のバランスの崩れを抑制して、振動および異音の発生を低減するという目的を、電機子鉄心において電機子巻線が巻かれた部分は少なくとも一つの段付き形状を有するティースを用いることで実現した。

以下、本発明の直流電動機を車両の電動パワーステアリング装置（以下、ＥＰＳ：Electronic Power Steeringと称することもある）に応用した一実施例について、図面を用いて説明する。なお、本発明の直流電動機の適用範囲を車両の電動パワーステアリング装置に限定するものではない。

図１は電動パワーステアリング装置１０１の概略構成図である。操舵ハンドル１１０が操舵軸１１２ａに接続されて、この操舵軸１１２ａの下端は運転者の操舵ハンドル１１０の動きを検出するトルクセンサ１１１に接続されており、ピニオンシャフト１１２ｂの上端がトルクセンサ１１１に接続されている。また、ピニオンシャフト１１２ｂの下端には、ピニオン（図示せず）が設けられ、このピニオンがステアリングギヤボックス１１６内においてラックバー１１８に噛合されている。更に、ラックバー１１８の両端には、それぞれタイロッド１２０の一端が接続されると共に各タイロッド１２０の他端にはナックルアーム１２２を介して操舵輪１２４が接続されている。また、ピニオンシャフト１１２ｂには複数のブラシを有する直流電動機であるモータ１１５が歯車（図示せず）を介して取り付けられている。なお、モータ１１５はラックバー１１８に同軸的に取り付ける方法を採ってもよい。

操舵軸１１２ａとピニオンシャフト１１２ｂとの間にはトルクセンサ１１１が設けられ、トルクセンサ１１１は図示しない周知のトーションバーおよびその軸線方向に離間して設置された一対のレゾルバを備えている。トーションバーにトルクが印加され、その両端の角度差をレゾルバが検知すると、レゾルバで計測された角度差とトーションバーのばね定数とからトーションバーに印加されたトルクが検出される。検出されたトルクの情報は操舵制御部１３０に送られる。

操舵制御部１３０は周知のＣＰＵ１３１，ＲＡＭ１３２，ＲＯＭ１３３，入出力インターフェースであるＩ／Ｏ１３４およびこれらの構成を接続するバスライン１３５が備えられている。ＣＰＵ１３１は、ＲＯＭ１３３およびＲＡＭ１３２に記憶されたプログラムおよびデータにより制御を行なう。ＲＯＭ１３３は、プログラム格納領域１３３ａとデータ記憶領域１３３ｂとを有している。プログラム格納領域１３３ａにはＥＰＳ制御プログラム１３３ｐが格納される。データ記憶領域１３３ｂにはＥＰＳ制御プログラム１３３ｐの動作に必要なデータが格納されている。

操舵制御部１３０においてＣＰＵ１３１がＲＯＭ１３３に格納されたＥＰＳ制御プログラムを実行することにより、トルクセンサ１１１で検出されたトルクに対応してモータ１１５で発生させるべき駆動トルクを算出し、モータドライバ１１４を介してモータ１１５に、算出した駆動トルクを発生させるための電圧を印加する。このとき、電流センサ１０８によりモータ１１５に流れる電流を検出することにより、駆動トルクに対応した回転を行なっているかを調べ、その結果に応じてモータ１１５に印加する電圧を求める。

図３はモータ１１５の断面図である。本実施例のモータ１１５は、内周面に４個の磁極２（永久磁石）を具備するヨーク３、整流子を有する電機子（後述する）、整流子に摺接する４個のブラシ４等から構成されている。電機子は、シャフト５、電機子鉄心６、電機子巻線７等より構成され、シャフト５に固定された電機子鉄心６に２２個のスロット８が設けられ、このスロット８を介して電機子鉄心６に電機子巻線７が巻かれている。整流子は、互いに絶縁された２２個のセグメント９（９ａ、９ｂ）をシャフト５の周囲に円筒状に配置して設けられている。

図２は電機子鉄心６の断面の一部を示したものである。１１はティースで、本実施例ではスロット８に面する部分に７個の段付部（８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ，８ｇ）を有する。また、ティース１１の段付き形状を有する部分の幅は電機子鉄心６の半径方向内側から外側へ向かうに従って徐々に細くなるように即ち、スロット８の形状が電機子鉄心６の半径方向外側から内側へ向かうに従って徐々に細くなるように形成される。

そして、段付部８ｃと段付部８ｄとの間ではスロット８の幅はＤで、電機子巻線７の外径の５倍となっていて、電機子巻線７が図面の左右方向に５列巻かれている。つまり、スロット８の中心線Ｃ−Ｃ’上に電機子巻線７の中心が位置している。また、半径方向の高さはＥで、電機子巻線７の外径の４倍となっていて、電機子巻線７が図面の上下方向に４段巻かれている。よって、電機子巻線７を規則的に整列状態で並ぶように巻くことができる。本実施例では、段付部の間の部分（例えば、段付部８ｃと段付部８ｄ）の形状は、長さＤの長辺と長さＥの短辺による略長方形となっているが、電機子巻線７を規則的に整列状態で並ぶように巻くことが可能であれば、略長方形である必要はない。

また、段付部８ｂと段付部８ｃとの間では電機子巻線７が図面の左右方向に６列巻かれ、段付部８ｄと段付部８ｅとの間では電機子巻線７が図面の左右方向に４列巻かれていて、スロット８の中心線Ｃ−Ｃ’上に電機子巻線７の中心が位置しないようになっている。このように、スロット８の中心線Ｃ−Ｃ’上に電機子巻線７の中心が位置する巻き方とスロット８の中心線Ｃ−Ｃ’上に電機子巻線７の中心が位置しない巻き方とを交互に配置することによって、段付部を挟んで隣接する巻線が互いに受ける力を分散させ、整列状態が乱れないようにしている。

なお、ティース１１は、本発明の段付き形状を形成可能で電機子巻線７を整列状態で並ぶように巻くことが可能であれば、段付き形状を有する部分の幅は同一に形成してもよいし、電機子コアの半径方向外側から内側へ向かうに従って徐々に細くなるように形成してもよい。また、段付部の数および位置に制約を設けるものではない。

図２の電機子鉄心６を用いた巻線構成について以下に例を挙げて具体的に説明する。なお、本発明における電機子巻線７の巻線構成を以下の構成のみに限定するものではない。
（例１）
図４は、一対のセグメントに接続される２個の電機子コイルの巻線構成を示す斜視図である。電機子巻線７は、２２個の電機子コイル１０（１０ａ、１０ｂ）から成り、電機子鉄心６の径方向に１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂが、それぞれ隣接する一対のセグメント９ａ、９ｂに対し直列に接続されている。なお、図４では、巻線の詳細を分かり易くするために、一対のセグメント９ａ、９ｂに接続された２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂのみを示しているが、実際は各セグメント９に対し同様の巻線が施されている。従って、電機子巻線７は、電機子コイル１０が電機子鉄心６の各スロット８内に２層状態で重ね巻きされている。

２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂを形成する巻線は、一端が一方のセグメント９ａに接続され、そのセグメント９ａから直ぐ近くにある２個のスロット間Ａに巻かれて一方の電機子コイル１０ａを形成した後、電機子鉄心６の反対側へ移動して、前記２個のスロット８と１８０°相対する位置にある２個のスロット間Ｂに巻かれて他方の電機子コイル１０ｂを形成し、再び電機子鉄心６の反対側へ移動して、他方のセグメント９ｂに他端が接続される。これにより、電機子鉄心６の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂは、１本の巻線で直列に構成される。

上記のモータ１１５は、電機子の回転中心に対し点対称の構造を有している。このモータ１において、一対のセグメント９に繋がる巻線で、回転中心に対し対称位置、即ち１８０°相対する２個の電機子コイル１０を直列に形成することで、その２個の電機子コイル１０には、必ず同時かつ同一量の電流が流れることになる。これにより、それぞれ一対のセグメント９に繋がる２個の電機子コイル１０で発生する励磁力が点対称位置で常に等しくなるため、同極のブラシ４が２本以上ある場合（本実施例では正極２本、負極２本）に、各ブラシ４のセグメント９に対する接触タイミングがずれたり、各ブラシ４の抵抗差による電流差があっても、電機子の振動を抑えることができる。特に、電動パワーステアリング装置１０１では、モータ１１５の振動や異音の発生がドライバーに不快感および不安感を与えるため、図２における電機子鉄心６の断面形状を用いることと合わせて、電機子に加わる力のバランスの崩れを抑制して振動や異音の発生を低減できることで、ドライバーの不快感および不安感を解消することができ、電動パワーステアリング装置の品質および性能向上に寄与できる。

（例２）
図５は一対のセグメント９に接続される２個の電機子コイル１０の巻線構成を示す斜視図である。本実施例の電機子巻線７は、図５に示すように、電機子鉄心６の径方向に１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂが、隣接する一対のセグメント９ａ、９ｂに対し並列に接続され、かつ両電機子コイル１０ａ、１０ｂの抵抗が略等しくなるように巻線されている。なお、図５では、一対のセグメント９ａ、９ｂに接続された２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂのみを示しているが、第１実施例の場合と同じく、実際は各セグメント９に対し同様の巻線が施されている。

この巻線構成について具体的に説明する。一対のセグメント９ａ、９ｂに接続される巻線は、一方の電機子コイル１０ａを形成する第１の巻線と他方の電機子コイル１０ｂを形成する第２の巻線からなる。一方の巻線は、一端が一方のセグメント９ａに接続され、そのセグメント９ａから直ぐ近くにある２個のスロット間Ａに巻かれて一方の電機子コイル１０ａを形成し、他端が他方のセグメント９ｂに接続される。他方の巻線は、一端が一方のセグメント９ａに接続され、そのセグメント９ａから電機子鉄心６の反対側へ移動して、一方の電機子コイル１０ａが巻線される前記２個のスロット間Ａと１８０°相対する位置にある２個のスロット間Ｂに巻かれて他方の電機子コイル１０ｂを形成し、再び電機子鉄心６の反対側へ移動して、他方のセグメント９ｂに他端が接続される。

この２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂの抵抗が略同一となるように巻線することで、一対のセグメント９ａ、９ｂに対し並列に接続された２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂには、同時かつ略同一量の電流が流れる。これにより、それぞれ一対のセグメント９に繋がる２個の電機子コイル１０で発生する励磁力が点対称位置で略等しくなるため、上記例１の場合と同様に、電機子の振動や異音の発生を低減できる。

ここで、一対のセグメント９ａ、９ｂに対し並列に接続された２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂの抵抗が略同一となるように巻線する方法について説明する。
ａ）２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂを同時に巻線する。この場合、図６に示すように、同一のスロット８内に挿入される他の電機子コイル１０（１８０°反対側のセグメント９に接続された電機子コイル１０）に対し、共に内側（または外側）に巻線される。つまり、一方の電機子コイル１０ａと他方の電機子コイル１０ｂを常に同時に巻線することにより、巻線の重なりも等しくなり、同一の抵抗を確保できる。

ｂ）一方、２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂを別々に巻線すると、図７に示すように、同一のスロット８内に挿入される他の電機子コイル１０に対し、一方の電機子コイル１０ａが内側に巻線され、他方の電機子コイル１０ｂが外側に巻線される。この場合、２個の電機子コイル１０ａ、１０ｂ同士で巻線の重なり具合が異なるため、抵抗を調整する必要がある。そこで、図７に示すように、先に巻線する一方の電機子コイル１０ａ（他の電機子コイル１０の内側に巻線される）を一対のセグメント９ａ、９ｂと反対側に設け、一対のセグメント９ａ、９ｂに対しシャフト５に巻き付けるように配線して巻線長さを長くすることにより抵抗を調整する。この時、巻線途中での巻線の弛み、線径の変更、巻線の引っ張り具合等で抵抗調整を行ってもよい。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

車両の電動パワーステアリング装置の全体構成図。 本発明による電機子鉄心の断面図。 モータの断面図。 一対のセグメントに接続される２個の電機子コイルの巻線構成を示す斜視図（例１）。 一対のセグメントに接続される２個の電機子コイルの巻線構成を示す斜視図（例２）。 一対のセグメントに対し並列に接続された２個の電機子コイルを同時に巻線した時の巻線状態を示す平面図（例２）。 一対のセグメントに対し並列に接続された２個の電機子コイルを別々に巻線した時の巻線状態を示す平面図（例２）。 従来技術による電機子鉄心の断面図。

符号の説明

２ 磁極
４ ブラシ
６ 電機子鉄心
７ 電機子巻線
８ スロット
９ セグメント
１０ 電機子コイル
１０ａ 一方の電機子コイル
１０ｂ 他方の電機子コイル
１１ ティース
１０１ 車両の電動パワーステアリング装置
１１５ モータ（直流電動機）

Claims (5)

1. 突起状のティースが放射状に形成された電機子鉄心と、前記ティースに巻線される電機子巻線と、前記電機子巻線と電気的に接続され、セグメントで構成される整流子と、この整流子に摺接するブラシとを有する直流電動機であって、前記電機子巻線は、前記電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルが一対の前記セグメントに対し直列に接続されていることを特徴とする直流電動機。
2. 突起状のティースが放射状に形成された電機子鉄心と、前記ティースに巻線される電機子巻線と、前記電機子巻線と電気的に接続され、セグメントで構成される整流子と、この整流子に摺接するブラシとを有する直流電動機であって、前記電機子巻線は、前記電機子鉄心の１８０°相対する位置に巻線される２個の電機子コイルが一対の前記セグメントに対し並列に接続され、かつ両電機子コイルの抵抗が略等しくなるように巻線されていることを特徴とする直流電動機。
3. 前記ティースの前記巻線が巻線された部分は少なくとも一つの段付き形状を有し、前記ティースの前記段付き形状を有する部分の幅は前記電機子鉄心の半径方向内側から外側へ向かうに従って徐々に細くなるように形成されるものである請求項１または２に記載の直流電動機。
4. 前記段付き形状を形成する全ての辺の長さおよび隣接する前記ティースの距離が前記巻線の線径の倍数となるものである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の直流電動機。
5. 運転者のステアリング動作に基づいて、モータを駆動して、ステアリング機構に操舵補助トルクを与える車両における電動パワーステアリング制御装置における前記モータに適用されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直流電動機。

Images