JP2006345617A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電動モータに、アーマチュアに生じるトルクリップルを低減させるための補助磁極を設ける構成としたものにおいて、駆動範囲が広い電動モータでも対応できるように構成する。
【解決手段】 ヨーク２の永久磁石４の軸方向一端側に、リング状に形成されたリング状電磁石１１を設けて、永久磁石４の周回り方向所定位置に、電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂと電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａとが配設される構成とし、該リング状電磁石１１を構成する電磁石コイル１５の巻線１５ａを、アーマチュアコイル７に通電するための回路に直列接続する構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両等に搭載されるアクチュエータを構成する電動モータの技術分野に属するものである。

一般に、この種電動モータのなかには、内周に磁界を形成する永久磁石が設けられたヨークに、外周に複数のアーマチュアコイルが巻装されたアーマチュアを回転自在に軸承し、アーマチュアコイルへの通電に伴いヨークの磁界を受けてアーマチュアが回転するよう構成したものがある。このようなものにおいて、アーマチュアコイルへの通電は、アーマチュアに設けたコンミテータにブラシを摺接させ、該ブラシに電源供給することによりなされる構成となっている。このため、アーマチュアの有効導体数が逐次変動し、アーマチュアコイルの磁気力に基づくアーマチュアのトルクには変動が生じている。さらに、永久磁石とアーマチュアを構成するティースとのあいだには磁気吸引力が作用しており、該磁気吸引力に基づいてアーマチュアには主コギングトルクが発生している。そして、アーマチュアの回転トルクは、前記磁気力に基づくトルクと、主コギングトルクとの合成力となるが、この場合に、コギングトルクは、アーマチュアコイルの磁気力に基づくトルクと同位相の波形として生じるため、アーマチュアの回転トルクの変動（トルクリップル）を大きくしてしまうことの大きな要因となっている。

この改善策として、永久磁石の軸方向一端部に補助マグネットを設け、アーマチュアに生じる主コギングトルクに、補助マグネットとアーマチュアとのあいだに生じる補助コギングトルクを合成することにより全コギングトルクの位相をずらし、アーマチュアのトルクリップルを低減することが提唱されている。
特開２００４−２９７９６９

しかるに、前記従来の構成において、補助マグネットは、予め設定される駆動時生じる主コギングトルクに対応する磁力に設定されたものが設けられて、磁力が変化することはないが、主コギングトルクの大きさは電動モータの駆動状態（例えばアーマチュアコイルに通電する電流の大きさ（電流値））に応じて変化する。このため、補助マグネットの磁力の大きさにより、主コギングトルクを低減できる範囲が決定されてしまい、例えばパワーステアリングを構成する電動モータのように、幅広い駆動範囲において出力するような電動モータでは、出力が大きくなって主コギングトルクが大きくなり、補助マグネットの磁力では対応仕切れない（相殺仕切れない）事態が生じることが想定され、このような駆動範囲の広い電動モータに、前記従来の構成を採用することはできない。さらには、アーマチュアコイルへの通電がない状態（電動モータの非駆動状態）から所定の駆動状態になってトルクリップルの低減効果が得られるまでの低出力のあいだにおいて、補助マグネットは所定のトルクリップルを相殺するに足る磁力を有したままの状態となっているので、この場合でも主コギングトルクに対して補助マグネットによる相殺バランスが崩れてコギングトルクが大きくなってしまうという問題もあり、これらに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、内周に磁界を形成する永久磁石を設けたヨークに、外周に複数のアーマチュアコイルを巻装したアーマチュアを回転自在に軸承し、アーマチュアコイルへの通電に伴いヨークの磁界を受けてアーマチュアが回転するよう構成した電動モータにおいて、前記ヨークに、永久磁石とアーマチュアとのあいだに生じる主コギングトルクに合成されてアーマチュアのトルクリップルを低減する付加コギングトルクを発生する付加コギングトルク発生手段を設けるにあたり、前記付加コギングトルク発生手段は電磁石で構成されていることを特徴とするものである。
請求項２の発明は、請求項１において、付加コギングトルク発生手段は、リング状の鉄心に永久磁石配設位置に対向して突極部を形成し、該突極部が前記対向する永久磁石と同極となるように電磁石コイルを巻装して構成されているものである。
請求項３の発明は、請求項１または２の何れか一項において、付加コギングトルク発生手段は、アーマチュアコイルに通電する回路に直列接続されているものである。

請求項１の発明とすることにより、電磁石の磁力を変化させることにより、付加コギングトルクのトルク値を可変にすることができる。
請求項２の発明とすることにより、構成の簡略化を果すことができる。
請求項３の発明とすることにより、付加コギングトルクのトルク値の制御を格別な制御装置を用いることなく、電磁石が取り付けられる電動モータの駆動状態に対応して簡単に制御することができる。

つぎに、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図面において、１はアクチュエータを構成する電動モータであって、該電動モータ１は、有底筒状のヨーク２と、ヨーク２の筒開口端に形成されたフランジ部２ａに突き当てられて筒開口を覆蓋するフロントブラケット３とを備えて構成されている。前記ヨーク２は、筒内周面にＮ、Ｓ二対の永久磁石４がそれぞれ一体的に固定されて磁界が形成されており、また、筒底部２ｂには凹部２ｃが形成されている。一方、フロントブラケット３には前記凹部２ｃと同芯状となる位置関係で貫通孔３ａが開設され、ヨーク凹部２ｃと貫通孔３ａとには、それぞれ軸受２ｄ、３ｂが設けられている。そして、ヨーク２とフロントブラケット３とにより形成される空間にはアーマチュア５が収容されるが、該アーマチュア５を構成するアーマチュア軸６は、基端部６ａがヨーク凹部２ｃに回動自在に軸承され、先端部６ｂがフロントブラケット貫通孔３ａに軸承されることにより、ヨーク２内において回動自在となるように構成されている。尚、フロントブラケット３から外部に突出するアーマチュア軸先端部６ｂは、図示しないアクチュエータに連動連結されるように設定されている。

前記アーマチュア５は、リング状の板材で構成されたコア材５ａの複数枚を積層し、該積層したものをアーマチュア軸６に一体的に外嵌することにより構成されているが、各コア材５ａには、周回り方向に複数のティース５ｂが形成されている。これによって、アーマチュア５の外周には、周回り方向に隣接するティース５ｂ同士のあいだに位置してアーマチュア軸６の軸方向に長いスロット５ｃが周回り方向に複数形成されている。そして、これらスロット５ｃの適宜箇所に複数の巻線７ａを巻装することにより、アーマチュア５の外周に複数のアーマチュアコイル７が形成されている。
さらに、前記アーマチュア軸６には、コア材５ａの先端側に位置してコンミテータ８が一体的に外嵌されている。前記コンミテータ８は、樹脂製の胴部８ａの外周面に、軸方向に長い導電性材料で構成されるコンミテータ片８ｂの複数が、周回り方向に並設されて構成されており、各コンミテータ片８ｂにはそれぞれライザ片８ｃが形成されている。そして、アーマチュア５の外周に形成アーマチュアアーマチュアコイル７は、巻線７ａを予め設定されるライザ片８ｃに接続することにより、該ライザ片８ｃを介して通電されて励磁するように構成されている。

一方、前記フロントブラケット３のヨーク２側の面には、ブラシホルダステー９が一体的に設けられており、該ブラシホルダステー９には、前記コンミテータ８のコンミテータ片８ｂに摺接するブラシ１０を収容するブラシホルダ９ａが周回り方向に四個形成されている。そして、ブラシホルダ９ａにはブラシ１０とともにコイル弾機１０ａが収容され、ブラシ１０をコンミテータ片８ｂに押し付ける方向に付勢している。尚、１０ｂはブラシ１０に設けられたピグテールであって、該ピグテール１０ｂを外部電源供給用端子に接続することにより、ブラシ１０に外部電源が供給されるように設定されている。

さらに、本発明の電動モータ１には、永久磁石４の軸方向一端側、本実施の形態ではアーマチュア軸６の軸方向先端側の端部に位置して付加コギングトルク発生手段であるリング状電磁石１１が設けられている。
前記リング状電磁石１１は、突き合せることによりリング状となる左右の半リング体１２、１３を鉄心として構成されており、それぞれのリング体１２、１３には、周回り方向略中央部に位置して内径側に突出する突極片（本発明の突極部に相当）１２ａ、１３ａと、周回り方向両端部に位置して内径側に突出し、Ｎ極の半部を形成するための突極半部片１２ｂ、１３ｂとが形成されている。そして、これら半リング体１２、１３同士を付き合わせることにより、突極半部片１２ｂ、１３ｂ同士が一体化されて一つの突極片１２ｂ、１３ｂとなり、これによって、周回り方向に同形状の突極片１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂが形成されるように設定されている。そして、リング体１２、１３の突極片、突極半部片１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂとのあいだに形成される円弧状部に絶縁材１４を被覆し、これら絶縁材１４被覆部位に、巻線１５ａを所定の巻方向により巻装してコイル（電磁石コイル）１５を形成することにより、該電磁石コイル１５に通電したとき前記突極部１２ａ、１３ａがＳ極部１２ａ、１３ａ、そして、突極半部片１２ｂ、１３ｂ同士の突き当て部がＮ極部１２ｂ、１３ｂに磁化されるように設定されている。尚、このものにおいて、電磁石コイル１５に通電される電流の大きさを変化することにより、各電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａ、電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂに発生する磁力が変化するように構成されている。
尚、電磁石コイル１５形成用の巻線１５ａは、半リング体１２、１３に対しそれぞれ一本の巻線１２ａを用いて巻装されている。

そして、リング状電磁石１１は、永久磁石４の一端側に位置し、ヨーク２の内周に沿う状態で固定されており、電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂがＮ極の永久磁石４の一端側に位置し、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａがＳ極の永久磁石４の一端側に位置するように設けられている。さらに、永久磁石４と電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂ、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａとの周回り方向の位置関係は、つぎのように設定されている。
つまり、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａ、Ｎ極部１２ｂ、１３ｂとは、リング状電磁石１１を取り付けない状態における電動モータに生じるトルクリップル波形の周期に対し、リング状電磁石１１により生じるコギングトルク波形の周期が、１／２周期分だけ進角または遅角となる位置であって、電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂの中心位置は、永久磁石４のＮ極の周回り方向略中央位置と同部位に位置し、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａの中心位置は、永久磁石４のＳ極の周回り方向略中央位置から約１０度位置ズレ（周回り方向何れの方向でもよく、本実施の形態では時計回り方向に位置ズレ）する部位に位置するように設定されている。

さらに、リング状電磁石１１から巻き出される電磁石コイル１５の巻線１５ａに電源供給する回路は、前記ブラシ１０に電源供給するための回路、即ち、アーマチュア５に巻装されるアーマチュアコイル７に電源供給するための回路に直列接続されており、ブラシ１０への電源供給と電磁石コイル１５とに供給される電流値が等しくなるように設定されている。

そして、外部電源がブラシ１０に供給された場合に、該外部電源は、ピグテール１０ｂからブラシ１０を経由してコンミテータ片８ｂに通電され、該コンミテータ片８ｂに接続されたアーマチュアコイル７を励磁する。これによって、アーマチュア５は、ヨーク２の永久磁石４により形成される磁界を受けて回転トルクが発生して回転駆動することになるが、これとともに、アーマチュア５は、永久磁石４とのあいだに主コギングトルクを生じる。一方、電動モータ１への電源供給の開始とともに、リング状電磁石１１は、電動モータ１と電流値の等しい電流が印加され、該電流の大きさに対応する磁力を各電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂ、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａから発生し、これらとアーマチュア５とのあいだに補助コギングトルクを発生する。この場合に、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａと電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂとは、前述したように、永久磁石４のＳ極、Ｎ極とは周回り方向に位置ズレして配されているので、該補助コギングトルクがアーマチュア５と永久磁石４とのあいだで生じる主コギングトルクに対して位相ズレすることに基づいて主コギングトルクを相殺し、もって、アーマチュア５のトルクリップルが低減されるように設定されている。

叙述の如く構成された本形態において、電動モータ１の駆動時に、アーマチュア５と永久磁石４とのあいだに生じる主コギングトルクは、永久磁石４の一端部に配される電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａと電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂとアーマチュア５とのあいだに生じる補助コギングトルクにより相殺され、アーマチュア５のトルクリップルの低減を図ることができるが、この場合に、補助コギングトルクはリング状電磁石１１を励磁することにより発生する構成となっている。このため、補助コギングトルクは、リング状電磁石１１の電磁石コイル１５に通電する電流の大きさを変化させることにより、電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａと電磁石Ｎ極部１２ｂ、１３ｂとの磁力に基づいてトルク値を可変とできるようになっている。これによって、電動モータ１の駆動状態に合わせて電磁石Ｓ極部１２ａ、１３ａ、電磁石Ｎ極部１２ａ、１３ａの磁力を制御することができ、この結果、従来のように補助コギングトルクを発生させるために予め所定の磁力を有した補助マグネットを用いるもののように、電動モータ１に通電される電流が所定の大きさとは異なる大きさの状態で、アーマチュア５のトルクリップルを低減できなくなるような不具合を回避でき、駆動範囲の広い電動モータのどの駆動状態においてもアーマチュア５のトルクリップルを低減できる。

さらに、このものでは、Ｓ極部１２ａ、１３ａ、Ｎ極部１２ｂ、１３ｂを構成するための電磁石を、リング状電磁石１１として一つの部材とし、永久磁石４の一端部に取り付ける構成としたので、構成の簡略化が図れる。

そのうえ、このものでは、リング状電磁石１１の電磁石コイル１５への電源供給回路を、アーマチュアコイル８への電源供給回路に直列に接続する構成としたので、アーマチュアコイル８への電流が大きくなることに比例して増加する主コギングトルクに対し、電磁石コイル１５に通電される電流が大きくなって付加コギングトルクも大きく変化してアーマチュアのトルクリップルを低減でき、電磁石コイル１５の電流制御を特別に行うことなく、幅広い駆動範囲の電動モータのトルクリップルを低減することができる。

尚、図５のグラフ図に、本実施の形態における電動モータ１と、該電動モータ１からリング状電磁石１１を取り外した状態の従来型電動モータにおいて、電流値に対するトルクリップルの変化を示す。該グラフ図によると、本実施の形態の電動モータ１は、従来型電動モータに比べ、電流値に拘わらずトルクリップルを低減していることが確認できる。
また、図６（Ａ）のグラフ図に、従来型電動モータのアーマチュアコアの回転角に対するトルクリップルの変化を示し、図６（Ｂ）のグラフ図に、本実施の形態の電動モータ１のアーマチュアコアの回転角に対するトルクリップルの変化を示す。これらグラフ図によると、本実施の形態の電動モータ１は、従来型の電動モータに比べ、回転角度によるトルクリップルの変化が小さくなっていることが確認できる。

電動モータの一部断面側面図である。 アーマチュアと磁界との関係を説明する正面断面図である。 リング状電磁石の一部を切り欠いた斜視図である。 図４（Ａ）、（Ｂ）はリング状電磁石を説明するパターン図、リング状電磁石の鉄心を構成する半リング状体の斜視図である。 電流値に対するトルクリップルの変化を示すグラフ図である。 図６（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来型の電動モータにおけるアーマチュアコアの回転角に対するトルクリップルの変化、本実施形態の電動モータにおけるアーマチュアコアの回転角に対するトルクリップルの変化を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 電動モータ
２ ヨーク
４ 永久磁石
５ アーマチュア
６ アーマチュア軸
７ アーマチュアコイル
８ コンミテータ
１０ ブラシ
１１ リング状電磁石
１２ 半リング体
１２ａ 電磁石Ｓ極部
１２ｂ 電磁石Ｎ極部
１５ 電磁石コイル

Claims (3)

1. 内周に磁界を形成する永久磁石を設けたヨークに、外周に複数のアーマチュアコイルを巻装したアーマチュアを回転自在に軸承し、アーマチュアコイルへの通電に伴いヨークの磁界を受けてアーマチュアが回転するよう構成した電動モータにおいて、前記ヨークに、永久磁石とアーマチュアとのあいだに生じる主コギングトルクに合成されてアーマチュアのトルクリップルを低減する付加コギングトルクを発生する付加コギングトルク発生手段を設けるにあたり、前記付加コギングトルク発生手段は電磁石で構成されていることを特徴とする電動モータ。
2. 請求項１において、付加コギングトルク発生手段は、リング状の鉄心に永久磁石配設位置に対向して突極部を形成し、該突極部が前記対向する永久磁石と同極となるように電磁石コイルを巻装して構成されている電動モータ。
3. 請求項１または２の何れか一項において、付加コギングトルク発生手段は、アーマチュアコイルに通電する回路に直列接続されている電動モータ。

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