JP2007181350A - ラジコン用サーボユニットのモータ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 巻線コイルの異常発熱によるモータ内部の温度上昇を抑え、熱によるモータの特性低下を防ぎ、放熱効果を高める構造を提供する。
【解決手段】 ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
前記駆動用モータのハウジングケース外周の一部に、換気用の開口部を設け、前記開口部に合わせた位置に、温度７０度の設定温度以上になると一方向に開く熱感知開閉弁を備えた板状の形状記憶合金部材を配置したラジコン用サーボユニットのモータ構造。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線操縦（通称：ラジオコントロール、以下ラジコンという）式の模型飛行機、ヘリコプター、自動車、ボート等、及び最近流行の精密な小型メカロボットに搭載されるサーボユニットの駆動用モータに関するものである。特に巻線コイルを備えた外径φ30mm以下の円筒モータを用いるサーボユニットに関し、過負荷の状態で正・逆転を常に繰り返すような過酷な動作使用に耐える小型モータの熱対策に関するものである。

近年、送受信機のハイテク化と電動モーターのブラシレス化、及び軽量なリチウムポリマー(Li-Po)バッテリーの実用化、さらにはデジタルサーボ・ジャイロセンサなどの電子機器の高性能化に伴い、ラジコン機体の動力性能と操縦性は飛躍的に向上している。またラジコン機体の高性能化と運動性能の向上に比例して、応答性良く制御するサーボユニットの高トルク・大電流化への対応が望まれている。このためサーボユニット内の駆動用モータの特性向上が必要不可欠とされている。

前記サーボユニットの高トルク・大電流化への対応は、サーボユニット内の駆動用モータの出力特性、特に高出力を得るために不可欠な大電流化による熱対策が最も重要である。過負荷の使用による駆動用モータの異常発熱は、モータ自身の性能劣化及び故障のみならず、熱経時変化によるマグネットへの影響のほか、サーボユニット全体の動作特性低下原因にも大きく影響する。

従来までのサーボユニットに用いられる駆動用モータは、図７に示すように、円筒型のハウジングケース102の筐体内にベアリングハウス103部分が設けられ、前記ベアリングハウス103の外径側には、円筒状のマグネット105が挿入配置され、また内径側にはベアリング104が配置され、これらがモータ101のステータ部として組み立てられている。

これに対しロータ部は、前記マグネット105を内包する配置、つまり前記ハウジングケース102内壁とマグネット105外径との間隙を保った位置で、図７に示すような円筒巻線コイル112を挿入配置し、整流機構部の整流子113と回転軸のシャフト111を中心に配置固定する樹脂モールド体115からなるロータ部全体を、前記ステータ部のベアリング104にシャフト111を回転自在に軸支させて組み合わせ、開口部側のハウジングケース102一端に、前記整流子113に摺設するブラシ108を保持固定したブラシ台106を嵌合させて取り付け、ハウジングケース102内部をほぼ密封形態にしたモータ101構造としている。

このように、回転トルクを発生させる巻線コイル112は、ステータ側ハウジングケース102及びマグネット105に対し、ある程度の空隙を持たせて回転するように設計されているが、過負荷による異常発熱で巻線コイル112が熱変形した場合、ステータ側への接触が動作不良を引き起こすことがある。これは構造上、モータ内部がほぼ密閉状態であるために、サーボユニットに対し無理な力が掛かり、ロックした過負荷な使用状態が続く時の巻線コイル112の異常発熱が原因となる。モータ内部で空気の対流により伝導するだけの閉鎖的なモータの内部構造であるため、発熱箇所である巻線コイル112から外装のハウジングケース102までの熱伝導速度が非常に遅いことが構造上の問題となっていた。

この上記問題に対し、モータの内部構造と部品材質を改良した出願が、特開2002-017066号公報に示されている。この出願では、ロータ部に放熱と熱伝導の良いアルミハブを採用し、巻線コイルの発熱をアルミハブから回転軸を介して、効率よく外装ハウジングケース側に伝導するモータ構造が提案されている。

図８に示すように、これまでのモータ構造での熱対策は、図に示す矢印の流れに従い、モータ内部の各部品の熱伝導を利用して、モータの外装ハウジングケースと接するサーボユニット側の外装ケースの材質を、熱伝導率の良い金属材料とすることで、外気と接するサーボユニット外装表面で自然放熱することにより対応していた。

特開2002-017066号公報

上記に示されるような内部密閉型のコアレス構造を用いた小型モータにあっては、熱対策が不十分であるため、ロータ側では、巻線コイルの異常発熱→コイルの変形→ステータ側への接触、という問題や、ステータ側では、近接するステータ側マグネットの異常な温度上昇→マグネット特性劣化（減磁）→トルク減少、という問題にも影響し、例えば３Ｄ競技のラジコンヘリコプター模型（以下、ラジコンヘリという）向けに搭載した場合、連続する動きに対し、前記サーボ用モータの異常発熱の問題が、競技の正確さにも影響し、動力性能の劣化、及び信頼性、耐久性に問題があった。

すなわち、アクロバットな演技を行う３Ｄ競技でのラジコンヘリの場合、数分間の演技の間、その機体の激しい動きに伴い、サーボユニットの回転方向逆転過負荷の状態が連続して続くような使用においては、サーボユニット内のモータ自身に掛かる負荷（発熱）も想像以上に過酷なものとなる。

このため限界使用領域でのサーボユニットの高トルク・大電流化に対応した駆動源の小型モータの熱対策が昨今望まれており、サーボユニットの過度の動きにより、サーボユニット内部の駆動用小型モータに対し、過負荷時に流れる電流が大きくなる場合でも、巻線コイルの異常発熱によるモータ内部温度の上昇を抑え、モータの効率低下を防ぐ強制放熱構造が望まれていた。

上述の問題を解決するため、請求項１に記載の発明では、ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
前記駆動用モータのハウジングケース外周の一部に、換気用の開口部を設け、前記開口部に合わせた位置に、温度７０度の設定温度以上になると一方向に開く熱感知開閉弁を備えた板状の形状記憶合金部材を配置したことを特徴とするラジコン用サーボユニットのモータ構造、としている。

また請求項２に記載の発明では、ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
ロータ部巻線コイルの開口部他端側に位置する回転軸と前記巻線コイルとの間に介在する樹脂モールド体の一部または片面全域に、一体又は別体の熱伝導性に優れた放熱板を兼用し、温度７０度の設定温度以上になると一方向に設立するフィン形状からなる円板状の形状記憶合金部材を配置したことを特徴とするラジコン用サーボユニットのモータ構造、としている。

また請求項３に記載の発明では、ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
前記駆動用モータのハウジングケース一端に嵌合するブラシ台の一部に、吸気用の開口部を設け、前記吸気部に合わせた位置に、温度７０度の設定温度以上になると一方向に開く熱感知開閉弁を備えた板状の形状記憶合金部材を配置したことを特徴とするラジコン用サーボユニットのモータ構造、としている。

また請求項４に記載の発明では、前記請求項１及び２に記載のモータ構造を備えたことを特徴とするラジコン用サーボユニット、としている。

また請求項５に記載の発明では、前記請求項１及び３に記載のモータ構造を備えたことを特徴とするラジコン用サーボユニット、としている。

請求項１に記載の発明によれば、モータの発熱時、巻線コイルの異常発熱があった場合でも、ロータ部の回転により、モータ内部の空気が強制的に排出され、巻線コイルの温度の上昇を抑え、モータの動作効率低下を防ぐことができる。

つまりロータ側では、巻線コイルの異常発熱→コイルの変形→ステータ側への接触の問題が強制冷却で解消され、またステータ側では、近接するステータ側マグネットの異常な温度上昇→マグネット特性劣化（減磁）→トルク減少の問題も同時に解消される。このため限界使用領域でのサーボユニットの高トルク・大電流化に対応することができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、攪拌用のフィンがモータ内部の空気を強制的に流動させ、巻線コイルの異常発熱を拡散させる効果が得られる。

つまりモータ内部の温度上昇を、前記フィン形状で分散させ、前記ハウジングケース外周の一部に設けた熱感知開閉弁からモータ外部へ排出する空気の流動を促す働きをし、放熱効果を高めることができる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の放熱効果と合わせて、モータ外部から吸入する空気量を調整し、例えば開口が必要な熱温度に達するまでは、塵ゴミなどのモータ内部への流入を防ぐ効果と働きがある。

また請求項４に記載の発明によれば、前記請求項１及び２の構造による放熱効果が相乗的に得られることに加え、ラジコン用サーボユニット全体として放熱に優れ、連続使用における安定した動作特性が得られる。

また請求項５に記載の発明によれば、前記請求項１及び３の構造による放熱効果が相乗的に得られることに加え、ラジコン用サーボユニット全体として放熱に優れ、連続使用における安定した動作特性が得られる。

以下に、本発明のモータ放熱構造の最良の形態について、図を参照して説明する。

＜実施形態＞
図１〜図６に、本発明の実施形態に係るモータの放熱構造の一例を示す。図１〜図３は、ラジコンサーボ用モータの内部構造を示す側断面図と、開閉時にモータ内部での排気する空気の流れを説明する概略図であり、また図４は、形状記憶合金板による放熱構造を可能とする開閉弁の動きを説明する図、さらに図５は、前記開閉弁のハウジングケース開口部への取り付けを示す図、またさらに図６は、ロータ部のシャフトとコイル間を支持する放熱板形状の一例を示す斜視図である。

図１は、本発明の具体的な放熱構造を示すため、ハウジングケース2外周部とブラシ台6端面に取り付けた形状記憶合金板からなる二つの開閉弁9, 10が熱により開口している状態を詳細に示している。

前記開閉弁9は、図５に示すように、ハウジングケース2の円筒外周面の一部に開口した開口部2a部分に嵌め込まれる。また開閉弁10は、図１に示すブラシ台6の吸入口6a端面に取り付けられる。開閉弁10は、マグネット5の磁束がニュートラルな箇所に配置することが好ましい。つまりモータの磁気回路での損失、もしくは悪影響が無い配置が好ましい。

ステータ部は、カップ型のハウジングケース2、及びハウジングケース2の一端には、ベアリングハウス3が固定され、さらにベアリングハウス3外周にはマグネット5が固定され、前記カップ型ハウジングケース2の他端側を塞ぐ形で、給電端子7とブラシ8が内側に配置固定されたブラシ台6により、本体枠が組み込まれている。

これに対し、ロータ部は、回転出力軸となるシャフト11を中心に、一端に出力ギヤとなるピニオン16、また他端側に整流子13部を配置し、軸間に円盤状の放熱板14が回り止め15により配置固定され、放熱板14の外径部分では、円筒状の巻線コイル12の側端を保持する形で、前記マグネット5の外周との間隙を保ちながら、巻線コイル12を回転保持する構造としている。

次に、前記形状記憶合金板からなる開閉弁9, 10が熱により開口している前記状態における吸排気の空気の流れを、図２に示す。図において、矢印AとBは、それぞれ吸気と排気の空気の流れを示している。排気Bの流れは、ロータ部の回転運動に伴い発生する巻線コイル12の円筒外周方向への風圧により、開閉弁9からハウジングケース2外部に排気され、矢印Bの流れが発生する。それに伴い、吸入口6aから吸気Aの流れが起こり、モータ内部の熱が拡散され、換気される。この時、吸入口6aには開閉弁10が無くてもよいが、ハウジングケース2外部からの塵ゴミ等の進入を防ぐ意味で、開閉弁10が取り付けられている。

また同時に、放熱板14の一部にフィン20を設置することにより、放熱板14自身の表面積が増大すると共に、回転するフィン20により、ハウジングケース2内部に強い空気の流れが生じ、熱拡散効果が加わり、モータ全体の冷却効果が増大する。図６に示すように、形状記憶合金板からなる放熱板14に、切り欠き溝をつけてフィン20を形成して、温度７０度において、放熱板14の円板部から軸方向にフィン20を立ち上げることにより、より大きな熱拡散効果が得られる。フィン構造を備えた放熱板14としては、形状記憶合金素材のもの方が好ましいが、例えば材質がアルミ素材の一般的な合金でも同様な効果が得られる。

これらの形状記憶合金素材による各所の構造の組み合わせは、開閉弁9のみでも、上記に示す冷却効果は十分に得られるが、他に開閉弁9と開閉弁10との組み合わせや、開閉弁9とフィン20との組み合わせによって、本発明に示される冷却効果はよりいっそう増大する。また仕様、目的や製造コスト等との兼ね合いにより、選択的に開閉弁10とフィン20の構成を省くことも可能である。

一方で図３は、前記ハウジングケース2外周部とブラシ台6端面に取り付けた形状記憶合金板からなる開閉弁9, 10が閉じている状態を示している。この時、モータ1は停止、あるいは発熱はしているが、温度が７０度を超えない範囲での使用している状態を示している。一般的に、このような強制冷却機構を備えたモータは、不必要な時にも冷却が行われてしまい、冷却効果とは別に、空気中の塵やゴミも一緒に取り入れてしまうという問題を抱えているが、本発明における開閉弁を用いたシャッター機構により、必要最小限の時に開閉弁が開口し、冷却効果を高めることができる。

開閉弁9は、図４に示すように、形状記憶合金板にスリットを入れ、常温では閉じ、温度７０度の設定温度以上になると一方向に開く熱感知型の開閉弁9を備えたブラインド形状の開閉機構である。

この開閉機構により、モータ1の発熱時、巻線コイル12の異常発熱があった場合でも、ロータ部の回転により、モータ1内部の空気が強制的に排出され、巻線コイル12の温度の上昇を抑え、モータ1の効率低下を防ぐことができる。つまりロータ側では、巻線コイル12の異常発熱→巻線コイル12の変形→ステータ側への接触の問題が強制冷却で解消され、またステータ側では、近接するステータ側マグネット5の異常な温度上昇→マグネット5特性劣化（減磁）→トルク減少の問題も同時に解消される。このため限界使用領域でのサーボユニットの高トルク・大電流化に対応することができる。

また前記攪拌用のフィン20がモータ1内部の空気を強制的に流動させ、巻線コイル12の異常発熱を拡散させる効果が得られ、モータ1内部の温度上昇を、前記フィン20で分散させ、前記ハウジングケース2外周の一部に設けた熱感知型の開閉弁9からモータ1外部へ排出する空気の流動を促す働きをし、放熱効果を高めることができる。

また前記開閉弁10がモータ1外部から吸入する空気量を調整し、例えば開口が必要な温度に達するまでは、塵ゴミなどのモータ1内部への流入を防ぐ効果と働きがある。上記実施形態では、開閉弁9、10やフィン20の組み合わせにより、放熱効果が相乗的に得られ、ラジコン用サーボユニット全体としても放熱に優れ、過酷な連続使用においても、安定した動作特性が得られる。

本発明は、カップ型ロータの巻線コイルを備えた外径φ30mm以下の円筒コアレスモータにおいて、位置制御装置等の過負荷の状態で常に繰り返し使用するような過酷な動作に耐える小型モータに応用することができる。

本発明に係るラジコンサーボ用モータの実施形態の一例を示す側断面図である。 本発明に係るラジコンサーボ用モータの開閉弁開口時の空気の流れを示す側断面図である。 本発明に係るラジコンサーボ用モータの開閉弁が閉じた状態の時の側断面図である。 本発明に係る開閉弁の温度変化に対する動きの変化を説明する概略図である。 本発明に係る開閉弁のハウジングケース開口部への取り付けを説明する概略図である。 本発明に係るロータ部の放熱板形状の一例を示す斜視図である。 従来のラジコンサーボ用モータの冷却構造の一例を示す側断面図である。 従来のラジコンサーボ用モータの冷却構造における熱伝導の考え方の一例を示す側断面図である。

符号の説明

1、101 モータ
2、102 ハウジングケース
2a 開口部
3、103 ベアリングハウス
4a、4b、104 ベアリング
5、105 マグネット
6、106 ブラシ台
6a 吸入口
7、107 給電端子
8、108 ブラシ
9、10 開閉弁
11、111 シャフト
12、112 巻線コイル
13、113 整流子
14、114 放熱板
15 回り止め
16、116 ピニオン
20 フィン
115 樹脂モールド体

Claims (5)

1. ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
   前記駆動用モータのハウジングケース外周の一部に、換気用の開口部を設け、前記開口部に合わせた位置に、温度７０度の設定温度以上になると一方向に開く熱感知開閉弁を備えた板状の形状記憶合金部材を配置したことを特徴とするラジコン用サーボユニットのモータ構造。
2. ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
   ロータ部巻線コイルの開口部他端側に位置する回転軸と前記巻線コイルとの間に介在する樹脂モールド体の一部または片面全域に、一体又は別体の熱伝導性に優れた放熱板を兼用し、温度７０度の設定温度以上になると一方向に設立するフィン形状からなる円板状の形状記憶合金部材を配置したことを特徴とするラジコン用サーボユニットのモータ構造。
3. ラジコン模型に搭載されるサーボユニットの駆動用モータにおいて、
   前記駆動用モータのハウジングケース一端に嵌合するブラシ台の一部に、吸気用の開口部を設け、前記吸気部に合わせた位置に、温度７０度の設定温度以上になると一方向に開く熱感知開閉弁を備えた板状の形状記憶合金部材を配置したことを特徴とするラジコン用サーボユニットのモータ構造。
4. 前記請求項１及び２に記載のモータ構造を備えたことを特徴とするラジコン用サーボユニット。
5. 前記請求項１及び３に記載のモータ構造を備えたことを特徴とするラジコン用サーボユニット。
   

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