JP2010252486A - 電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸を軸承したロータを所定角度範囲で磁気的に回転する際に、コイルステータを２極構成で、小型はシンプルに構成することが可能であると共にロータの回転方向がロックすることなく磁気効率に優れた電磁アクチュエータを提供する。
【解決手段】回転軸の外周に２極着磁されたマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向するＮ極とＳ極の極磁歯を形成する一対のステータとから構成され、この一対のステータをロータの外周に等間隔で対向するように配置する。この場合一対のステータを非対象形状又は回転軸の軸心を中心に点対称形状で、互いに異なる面積で構成する。これによって極磁歯を形成する一対のステータ間隙を広げることなく左右ステータの磁気バランスを異ならせる。
【選択図】図３

Description

本発明はコイルに供給する電流で所定方向の回転力を生起する電磁アクチュエータに係わり、その電磁駆動部の改良に関する。

一般にこの種のアクチュエータは回転軸と磁極を備えたロータと、このロータに回転力を生起するステータで構成され、このステータに巻回したコイルに電流を供給する電磁駆動機構が広く知られている。

この種の電磁駆動装置を簡単な構造で小型軽量に構成するためにロータの磁極をＮＳ２極で構成し、このロータの周囲にＮ極とＳ極の磁歯を形成する一対のステータを配置する構造が例えば特許文献１に提案されている。

特許文献１（特許文献２も同様）には回転軸の外周にＮＳ２極の磁極を形成したロータに対して、その周囲に２つの磁歯を形成する一対のステータを周方向に間隔を隔てて配置している。そしてこのステータの周囲に励磁コイルを巻回し、このコイルに通電することによってロータを所定角度揺動させている。

このように回転軸を軸承したロータを所定角度範囲で揺動駆動するため、ロータの外周をＮＳ２極に着磁し、このロータの着磁面から間隔を隔てて周方向に第１第２のステータを配列し、このステータを外周に巻回したコイルでＮＳ極に励磁することによってロータを吸引して所定角度回転する電磁駆動装置が知られている。

実公平３−５６０１０号公報 特開２００２−３６９４８２号公報

上述のように回転自在に軸承した回転軸を所定角度範囲で正逆揺動駆動する際に、一般的には回転軸の外周にＮＳ２極をマグネットなどでロータ磁極を形成し、その外周にＮＳ２極のステータ磁極を形成している。そしてステータの外周に巻回したコイルに電流を供給することによってステータに生起した磁極でロータを吸引回転することが知られている。

このような一対のステータの外周にコイルを巻回して一対のステータに磁極を形成し、このステータ磁極でマグネットロータを吸引して所定角度回転する電磁駆動装置にあっては次の問題が生ずる。

図７（ａ）に示すようにロータ９０を回転軸９１とマグネット９２で構成し、回転軸９１の外周にＮＳ極を形成する。このロータ９０の外周に一対のステータ９３ａ、９３ｂを設けて励磁極を形成する。この場合、一対のステータ９３ａ、９３ｂを左右対称でその間隔（Ｇａ、Ｇｂ）を等しい間隔にするとロータ９０の回転方向が定まらずロック状態となる。このため従来は一対のステータ９３ａ、９３ｂの間隔Ｇａと間隔Ｇｂを異ならせるように一方は短く（図示Ｇａ）、他方は長く（図示Ｇｂ）形成している（図７（ｂ）参照）。これによって間隔Ｇａ間に形成される磁界の強さＨａと間隔Ｇｂ間に形成される磁界の強さＨｂがＨａ＞Ｈｂとなり、ロータ９０に作用するステータ９３ａ、９３ｂの励磁力が左右アンバランスとなる。このロータ９０に作用する励磁力をアンバランスすることによってロータ９０のロック状態を防止し、同時にハンチング、回転斑などの問題を解決している。

上述のロータ回転方向のロック状態を説明すると図７（ｃ）に示すようにロータ９０に対してステータ９３ａ、９３ｂが対象形状で、等間隔（Ｇａ＝Ｇｂ）に構成されている。この状態ではロータ９０は同図に示すステータ９３ａのＮ極とステータ９３ｂのＳ極にマグネット９２のＳ極とＮ極が吸引され、この位置に停止する。そこでロータ９０を逆方向（反時計方向）に回転（逆転）するためステータ９３ａをＳ極に、ステータ９３ｂをＮ極に励磁方向を反転する。このときロータ９０は励磁極に反撥して回転しようとするが左右磁気的にバランスされているためで時計方向に回転するか反時計方向に回転するかその中点（図７（ｃ）の状態）でロックすることとなる。このロック状態を防ぐために従来は間隔ＧａとＧｂを異なる間隔に、例えばＧａ＜Ｇｂに設定している。

このように従来は一対のステータの間隔（磁気ギャップ）を大小異ならせているため、ステータに作用する磁気的効率が損なわれる問題がある。つまりステータの外周に励磁コイルを巻回し、このコイルに通電してステータに励磁極を形成するときステータの磁気ギャップを大きくすると磁気的損失が大きくなり、結果としてコイルに供給する電流値を大きくしなければならない。従って消費電力、コイルのターン数などロータの出力トルクに比して消費電力のロスと同時に所定の回転トルクを得るためコイルターン数を大きくするため励磁コイルが大型化する問題がある。

本発明は、回転軸を軸承したロータを所定角度範囲で磁気的に回転する際に、コイルステータを２極構成で、小型でシンプルに構成することが可能であると共にロータの回転方向がロックすることなく磁気効率に優れた電磁アクチュエータの提供をその主な課題としている。

上記課題を達成するため本発明は、回転軸の外周に２極着磁されたマグネットロータと、このマグネットロータの磁極に対向するＮ極とＳ極の極磁歯を形成する一対のステータとから構成され、この一対のステータをロータの外周に等間隔で対向するように配置する。この場合一対のステータを非対象形状で互いに異なる面積で構成する。これによって極磁歯を形成する一対のステータ間隙を広げることなく左右ステータの磁気バランスを異ならせることが可能となる。従ってロータに作用するステータの吸引磁力が回転する正逆方向で釣り合ってロックすることがない。

更にその具体的な構成を説明すると、回転軸と、この回転軸の外周にＮ極とＳ極に２極着磁された円柱形状のマグネットロータと、マグネットロータの磁極に対向するＮ極とＳ極の極磁歯を形成する一対のステータと、このステータの外周に巻回した励磁コイルとを備える。そして一対のステータを、マグネットロータの外周に等間隔の間隙を形成して互いに対向するように配置すると共に非対象形状で互いに異なる面積に構成する。

本発明は回転軸を有するマグネットロータの周囲にＮ極とＳ極の極磁歯を形成する一対のステータを、ロータの外周に等間隔のギャップを形成するように配置し、更にこの一対のステータを非対象形状で互いに異なる面積に構成したものであるから次の効果を奏する。

回転軸を軸承したマグネットロータを所定角度範囲で磁気的に回転する際に、コイルステータをＮＳ２極構成で、小型でシンプルに構成することが可能である。また、一対のステータは非対象形状で互いに異なる面積に形成されているためロータにロック作用が働く恐れがない。つまりコイルステータをＮＳ２極構成にする場合、ステータの磁気的作用が回転正逆方向で均衡してロータの回転運動がロックすることがない。

更に本発明は一対のステータの面積を異ならせる際にステータ周囲に巻回する励磁コイルの巻き線端部（始端部又は終端部）に位置するステータ先端部又は基端部を欠除することによって磁気的アンバランスを形成する。これによって巻き線に生起する磁界の影響が最も大きい巻き線中央部を避けたステータ先端部又は基端部を切り欠くためコイルに生起した磁気効率を低減することなく磁気的アンバランスを形成することが可能となる。

本発明の電磁アクチュエータの一実施形態を示す中央縦断面の説明図。 （ａ）は図１の電磁アクチュエータの組み立て分解状態を示す斜視図であり、（ｂ）はステータを磁気ヨークに固定する嵌合構造の説明図。 図１のロータとステータの位置関係を示す説明図であり、（ａ）は分解状態の平面説明図であり、（ｂ）はそのＹ−Ｙ線断面説明図である。 図１の電磁アクチュエータにおけるステータの形状を示す説明図であり、（ａ）はその第１の実施形態を示す説明図、（ｂ）は第２の実施形態を示す説明図、（ｃ）は第３の実施形態を示す説明図である。（ｅ）は励磁コイルに作用する磁界の強さを示す説明図である。 図３（ａ）の実施形態におけるステータ形状し、平面形状に展開した状態の説明図であり、（ａ）は台形形状の場合を、（ｂ）は矩形状の場合を示す。 図３（ａ）の実施形態においてステータに生起される磁界の強さの分布とロータの回転トルクの関係を示す説明図である。 従来技術の説明図であり、（ａ）はステータ間ギャップの説明図であり、（ｂ）はステータに作用する磁界の流れを示し、（ｃ）はロータのロック状態の説明図。

［電磁アクチュエータ］
図１に断面図を図２に分解斜視図を示す電磁アクチュエータＭについて説明する。この電磁アクチュエータＭは、ロータ１０とステータ１６、１７とブラケット１５とハウジング（不図示）で構成されている。ロータ１０は回転軸１１と、この回転軸１１に一体形成したマグネット１２で形成されている。回転軸１１は適宜の例えば金属製のシャフトで構成され、これにマグネット１２が一体形成されている。マグネット１２はフェライト、希土類、アルニコなどで形成された永久磁石で構成されている。このマグネット１２と回転軸１１は例えばインサート成形で一体に形成する。そしてマグネット１２は円柱形状で、その周方向にＮ極１２ｎとＳ極１２ｓが着磁されている。図示の形態では回転軸１１はハウジング（図示形態では後述する磁気ヨーク１９；以下同様）に固定されたコイル枠１４に軸受１３ａが形成され、同様にハウジングに固定されたブラケット１５に軸受１３ｂが形成され、この両軸受１３ａ、１３ｂに回転軸１１が軸支持されている。

ステータ１６，１７は２つの磁歯を形成するように第１ステータ１６と第２ステータ１７の一対で構成され、前述のロータ１０の外周に環状に配列される。第１ステータ１６はリング形状のフランジ（鍔）１６ａと磁歯部１６ｂで構成され、フランジ１６ａに半裁円筒形状の磁歯部１６ｂが連設されている（図２参照）。また、第２ステータ１７も同様にリング形状のフランジ（鍔）１７ａと半円筒状の磁歯部１７ｂとで構成されている。

この一対の第１ステータ１６と第２ステータ１７は図３（ａ）（ｂ）に示すように第１ステータ１６が回転軸１１の一方（同図下方）から上方に突出し、第２ステータ１７が回転軸１１の他方（同図上方）から下方に垂下するように配置され、嵌合されている。この第１第２ステータ１６、１７は図３（ｂ）に示すように少許の間隙（磁歯間ギャップ）ＧａとＧｂを隔てて互いに円周方向に配列されている。つまり前述のロータ１０の外周に、回転軸１１と同心円を描くように第１第２ステータ１６，１７は環状配列されるように後述する磁気ヨーク１９に嵌合されている（図２（ａ）、図３（ｂ）参照）。

なお、上述の第１第２ステータ１６、１７は軟磁性材料で構成され、交互にＮ極とＳ極を形成するようにその外周に励磁コイル１８がコイル枠１４に巻回されている。コイル枠１４は例えば合成樹脂のモールド成形で形成され、図２（ａ）に示すように一端が開口したカップ形状に形成され、その閉鎖端側底部に軸受１３ａが軸支孔で形成され、外周にボビン１４ａが形成されている。この軸受１３ａはボビン１４ａの中心に形成され、前述のロータ１０の回転軸１１を軸支持し、その同心円上のボビン１４ａに巻き線１８が巻回される。このようにコイル枠１４はロータ１０の回転軸１１を軸支持し、その回転軸１１を中心に巻き線１８を同心巻きするように円筒形状に構成されている。なお、図２（ａ）に示す図示１８ｔは巻き線１８の電源入力端子であり、図示２０、２１はワッシャである。

上述のロータ１０とステータ１６、１７とコイル枠１４は磁気ヨーク１９に嵌合され一体化されている。磁気ヨーク１９は中空円筒形状に形成され、その内部にマグネットロータ１０、励磁コイル１８、ステータ１６、１７を収納することによってアクチュエータＭの構造体を構成している。これと同時に磁気ヨーク１９は磁気的にシールドするように軟磁性材料などの磁性材料で構成されている。

また磁気ヨーク１９は図２（ｂ）に示すように第１第２ステータ１６、１７のリング状フランジ１６ａ、１７ａを嵌合支持するようにヨーク内径とステータのフランジ外径が緊密に嵌合する寸法形状に形成されている。そして第１第２ステータ１６、１７のフランジ１６ａ、１７ａには嵌合突起１６ｊ、１６ｋと１７ｊ、１７ｋが形成されている。一方磁気ヨーク１９には、この嵌合突起１６ｊ〜１７ｋと係合するカシメ溝２０ｊ、２０ｋ、２１ｊ、２１ｋが形成されている。この第１ステータ１６の嵌合突起１６ｊ、１６ｋを磁気ヨーク１９のカシメ溝２０ｊ、２０ｋに嵌合して例えばカシメ止めし、同様に第２ステータ１７の嵌合突起１７ｊ、１７ｋを磁気ヨーク１９のカシメ溝２１ｊ、２１ｋに嵌合してカシメ止めする。

これによって第１第２ステータ１６、１７は磁気ヨーク１９にフランジ（鍔部）１６ａ、１７ａを嵌合することによって回転軸１１を基準に径方向（ラジアル方向）が位置決めされる。そして第１ステータ１６の嵌合突起１６ｊ、１６ｋをカシメ溝２０ｊ、２０ｋにカシメ止めし、同様に第２ステータ１７の嵌合突起１７ｊ、１７ｋをカシメ溝２１ｊ、２１ｋにカシメ止めすることによって回転軸１１を基準に軸方向（スラスト方向）が位置決め（固定）される。

そこで前述のコイル枠１４に巻き線１８を巻回した状態で、その内側にロータ１０を挿入する。このときロータ１０の回転軸１１をコイル枠１４に形成した軸受１３ａに嵌合する（回転軸１１の他方は後述するブラケット部材１５を取付ける段階でその軸受１３ｂに嵌合する）。次にコイル枠１４の内側に第１ステータ１６と第２ステータ１７を挿入してステータのフランジ１６ａ、１７ａを磁気ヨーク内壁に嵌合する。するとコイル枠１４は磁気ヨーク内壁とステータ外周壁との間に挟まれてその径方向の位置が位置決めされる。そこで磁気ヨーク１９にブラケット部材１５を嵌合し、これに形成されている軸受１３ｂに回転軸１１の他方を嵌合する。

このブラケット部材１５を磁気ヨーク１４に嵌合する際にロータ１０は図１に示すようにワッシャ２１を介してコイル枠１４の内壁に、ワッシャ２０を介してブラケット部材１５の内壁にそれぞれ当接した状態で係合させる。そこでロータ１０はコイル枠１４とブラケット部材１５とで回転軸１１の軸方向の位置を位置決めされることとなる。そこで第１ステータ１６の嵌合突起１６ｊ、１６ｋを磁気ヨーク１９のカシメ溝２０ｊ、２０ｋにカシメ止めし、同様に第２ステータ１７の嵌合突起１７ｊ、１７ｋをカシメ溝２１ｊ、２１ｋにカシメ止めする。同様にブラケット部材１５を磁気ヨーク１９にカシメ止め、ビス止めなどの固定手段（不図示）で固定する。これによってロータ１０の軸方向が固定される。

そこで本発明は上述の第１第２ステータ１６、１７を次のように「回転軸１１を中心に第１第２ステータ１６，１７を非対称形状でその表面積が異なるように構成」することを特徴としている。まず、前述したように第１第２ステータ１６、１７の磁歯間ギャップＧａとＧｂは実質的に等間隙（Ｇａ＝Ｇｂ）に設定されている。そして図４（ｄ）に示すようにコイル枠１４には励磁コイル（巻き線：以下同様）１８が巻回され、この巻き線１８は回転軸１１を中心とする方向に同心巻きされている。同図Ｓｂは巻き線の巻線始端部を、Ｓｅは巻線終端部を示す。

［ステータの第１実施形態］
図４（ａ）に示す実施形態は、第１ステータ１６と第２ステータ１７をともに台形形状に構成し、その一方である第１ステータ１６の先端部Ｓｅ（巻線終端部）のコーナに切欠き部１６ｃを設けている。このため第１ステータ１６の表面積ａｒ１と第２ステータ１７の表面積ａｒ２はａｒ２＞ａｒ１に設定される。同図は円環形状に配列される第１ステータ１６と第２ステータ１７を平面形状に展開した状態を示し、このステータ１６、１７の図示ｘ−ｘ方向に巻き線１８が巻回される。この巻き線１８に通電することによって第１第２ステータ１６、１７に生起する磁界の強さは同図（ｄ）にＨｘで示すように巻き線方向ｘ−ｘと直交する方向に作用する。

このとき第２ステータ１７に作用する磁界の強さＨｘ１は第１ステータ１６に作用する磁界の強さＨｘ２より大きくなる。つまり巻き線１８によってステータ１６，１７に生起される磁界は切欠き部１６ｃの部位が小さくなる（同図斜線部）ため第１ステータ１６に生起される磁界Ｈｘ２はこの切欠き部１６ｃのない第２ステータ１７に生起される磁界Ｈｘ１より小さくなる。そしてこの切欠き部１６ｃは第１ステータ１６の先端部Ｓｅのコーナに設けられている。

［ステータの第２実施形態］
また、図４（ｂ）は第１ステータ１６と第２ステータ１７をともに台形形状に構成し、第１ステータ１６の先端部Ｓｅに切欠き部１６ｄを設けている。これによって第１ステータ１６の表面積ａｒ１と第２ステータ１７の表面積ａｒ２はａｒ１＜ａｒ２に設定している。その作用は上述の第１実施形態と同様であり、その詳細は後述する。

上述の図４（ａ）に示すものはステータ先端部Ｓｅのコーナに切欠き部１６ｃを形成し、図４（ｂ）に示すものはステータ先端部Ｓｅに切欠き部１６ｄを設け、いずれも第２ステータ１７の表面積ａｒ２に対して、第１ステータ１６の表面積ａｒ１を小さく設定している。このようにステータ先端部Ｓｅの一部に切り欠部１６ｃ、１６ｄを形成したのはこの先端部Ｓｅには後述する巻き線１８の終端部が位置するため、巻き線１８に生起する磁界が小さい。このため切欠き部の寸法精度に機体差が生じてもロータ１０に作用する回転力のバラツキが緩和されるためである。

次に図４（ｃ）に示すものは、第１ステータ１６と第２ステータ１７をともに台形形状に構成し、第１ステータ１６の基端部Ｓｂ（巻き線の始端部）に切欠き部１６ｅを設けている。これによって前述のものと同様に第１ステータ１６の表面積ａｒ１と第２ステータ１７の表面積ａｒ２はａｒ１＜ａｒ２に設定される。そして巻き線１８の先端部と同様に基端部に形成する切り欠部１６ｅは巻き線１８に生起する磁界が小さいため切欠き部の寸法精度に機体差が生じてもロータ１０に作用する回転力のバラツキが緩和される。

なお、上述の第１乃至第３実施形態は、いずれもステータ１６、１７を図５（ａ）に示すように台形形状に構成する場合について説明したが、ステータ形状を台形形状に構成する必然性はなく、図５（ｂ）に示すように矩形形状に構成しても良い。同図はいずれも磁歯間ギャップを隔てて環状に配列される第１第２ステータ１６、１７を平面形状に展開した状態を示している。そこでこのステータを台形形状、矩形形状など適宜形状に構成し、第１第２ステータ１６，１７の一方をコーナカット、Ｖカット、基端カットなどその一部を切除することによって第１ステータ１６と第２ステータ１７の表面積を異ならせる。この場合切り欠部１６ｃ、１６ｄ、１６ｅは巻き線１８に生起する磁界が小さい巻き線の始端部Ｓｂ又は終端部Ｓｅに形成することが好ましい。

［作用の説明］
上述の第１実施形態（図４（ａ）の実施形態）に基づいて本発明の作用を説明する。図６に示すように切欠き部を有しない第２ステータ１７には図示しないがステータ周囲に均等分布の磁力線が生起され、この磁力線は巻き線１８の巻き方向ｘ−ｘと直交する方向に生ずる。一方切欠き部１６ｃ、１６ｄ、１６ｅを有する第１ステータ１６にも同様の磁界が生起され、その周方向に均等分布の磁力線が生起される。このとき第１ステータ１６の磁力線は切欠き部１６ｃ、１６ｄ、１６ｅの部位で減衰し、切欠き部のない端部より小さい（図示斜線部に磁力線の減衰を示す）。そこで切欠き部１６ｃ〜１６ｅに隣接するギャップＧａ間に生ずる磁力線Ｈａは他方のギャップＧｂに生ずる磁力線Ｈｂより弱くなる。そこで図示位置に位置するロータ１０には図示時計方向の回転力が付与される。これによってロータ１０に第１第２ステータ１６、１７から付与される回転方向が磁気的にバランスしたロック状態が生ずることがない。

Ｍ 電磁アクチュエータ
１０ ロータ
１０ｎ Ｎ極
１０ｓ Ｓ極
１１ 回転軸
１２ マグネット
１３ａ 軸受
１３ｂ 軸受
１４ コイル枠
１５ ブラケット部材
１６ 第１ステータ
１６ａ フランジ（鍔）
１６ｂ 磁歯部
１６ｃ 切欠き部（第１実施形態）
１６ｄ 切欠き部（第２実施形態）
１６ｅ 切欠き部（第３実施形態）
１７ 第２ステータ
１７ａ フランジ（鍔）
１７ｂ 磁歯部
１８ 巻き線
１９ 磁気ヨーク

Claims (3)

1. 回転軸と、
   この回転軸の外周にＮ極とＳ極に２極着磁された円柱形状のマグネットロータと、
   前記マグネットロータの磁極に対向するＮ極とＳ極の極磁歯を形成する一対のステータと、
   前記一対のステータの外周に巻回された励磁コイルと、
   を備え、
   前記一対のステータは、前記マグネットロータの外周に等間隔の間隙を形成して互いに対向するように配置され、
   この一対のステータは非対象形状で互いに異なる表面積に構成されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
2. 前記励磁コイルは前記回転軸に対し同心巻きした巻き線で前記一対のステータに極磁歯を形成するように構成され、
   前記一対のステータは、それぞれリング形状の鍔部とこの鍔部から突出した半裁円筒形状の磁歯部で構成され、
   この第１ステータの磁歯部は前記回転軸の軸方向の一方から他方側に突出するように配置され、第２ステータの磁歯部は前記回転軸の他方から一方側に突出するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
3. 前記励磁コイルは、前記回転軸に対し同心巻きした巻き線で前記一対のステータに極磁歯を形成するように構成され、
   前記ステータの一方は、前記巻き線の始端部及び／又は巻き線の終端部に形成した切り欠き部によってステータの他方と非対称形状に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。

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