JP2012152062A - 直流三相モータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクの合成が不要であり、かつ翼部の薄型化に寄与する直流三相モータを提供する。
【解決手段】直流三相モータは、磁極３０ａを有するロータ３０と、ロータ３０の外側に配置され、ロータ３０の外周面に対向する内周面を有する複数の芯部３２ｂを含むステータ２８と、芯部３２ｂに巻き付けられた３つ以上のコイルと、を備える。磁極３０ａの外側面は、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極とがロータ３０の周方向に交互に並んでいる。コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄは、ロータ３０の軸心Ｏを通る仮想第１平面Ｐ１を基準として、この仮想第１平面Ｐ１からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみ配置される。複数の芯部３２ｂのうち互いに隣接する３Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の芯部３２ｂの内周面は、磁極３０ａの外側面の１つの磁極の幅に収まるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流三相モータに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されているように、モータで駆動されるアクチュエータが知られている。図７に示すように、特許文献１に開示されたアクチュエータでは、駆動軸６１ａが水平になるように配置されたモータ６１の下方にボールスクリュー６３が水平に配置され、モータ６１の駆動軸６１ａとボールスクリュー６３とが減速機構６５を介して連結されている。そして、ボールスクリュー６３はモータ６１の回転数に対して所定比率で減速された回転数で回転し、これにより、被駆動部を駆動する。アクチュエータが航空機の舵面を駆動するためのアクチュエータである場合には、被駆動部が舵面若しくは舵面に連結された機構となる。

アクチュエータを駆動するモータとして、例えば下記特許文献２に開示されているように、インナーロータ型の直流三相モータが知られている。この直流三相モータは、円環状をなすステータの内側にロータが回転可能に配置された構成のモータである。ステータは、径方向内側に向けて延びるティースが周方向に等間隔に設けられる構成となっており、この各芯部（ティース）にそれぞれコイルが巻き付けられている。これらのコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが順に配置される構成である。

米国特許出願公開第２００６／００９３６９４号明細書 特開２０１０−１４２００６号公報

前記特許文献２に開示されたようなインナーロータ型の直流三相モータを航空機の舵面を駆動するためのアクチュエータに用いる場合、アクチュエータを収容する翼部の厚みを薄型化するには限界がある。すなわち、モータのステータが円環状となっているため、アクチュエータを収容する翼部は、ステータの直径分の厚みが少なくとも必要となる一方、ステータの直径を小さいものにすると、必然的にモータトルクが小さくなってしまう。このため、モータトルクを維持するためには、アクチュエータを収容する翼部を薄くするには限界がある。また、出力の小さなモータを複数個用い、これらの出力を合成することによって所望の出力を得ることも考えられるが、この構成ではトルクの合成が必要であるが故に機構的及び制御的に困難さを伴う。

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、トルクの合成が不要であり、かつ翼部の薄型化に寄与する直流三相モータを提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、磁石を有するロータと、前記ロータの外側に配置され、前記ロータの外周面に対向する内周面を有する複数の芯部を含むステータと、前記複数の芯部に巻き付けられた３つ以上のコイルと、を備え、前記ロータの外周面は、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極とが前記ロータの周方向に交互に並んでおり、前記コイルは、前記ロータの軸心を通る仮想第１平面を基準として、この仮想第１平面からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の仮想第２平面までの範囲内にのみ配置され、前記複数の芯部のうち互いに隣接する３Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の芯部の内周面は、前記磁極の外側面の１つの磁極の幅に収まるように配置されている直流三相モータである。

本発明では、互いに隣接する３Ｎ個の芯部の内周面が、ロータに設けられた１つの磁極の幅に収まるように配置されているため、三相の各相の電流がコイルに印加された場合に、コイルの周囲に生じる磁束の流れに対するステータとロータとの間の磁気的な作用力をロータの駆動力とすることができる。しかも、コイルが仮想第１平面からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回転した方向の仮想第２平面までの範囲内にのみ配置される構成なので、コイルがロータの全周に亘って配置される構成に比べ、仮想第１平面と直交する方向のステータの幅を小さくすることができる。この結果、直流三相モータの厚みを薄くすることが可能となる。したがって、他のモータの出力と合成することなく、所望の出力を得ることができる。

ここで、前記３つ以上のコイルには、第１相の電流が流れる第１コイルと、第２相の電流が流れる第２コイルと、第３相の電流が流れる第３コイルと、が含まれる場合には、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルは、何れも、互いに隣接する複数の芯部に跨って巻き付けられるとともに、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルの順に、前記ロータの回転方向に１／３極ずつずれるように配置されている。

この態様では、第１コイル、第２コイル及び第３コイルがそれぞれ複数の芯部に巻き付けられる、いわゆる分布巻きとなっている。したがって、トルクリップルの低下の為にティースやロータ形状や電流印加方法の特別な工夫をしなくても、比較的滑らかに駆動することができる。このため、振動及び騒音を低減でき、出力の大きなモータであっても振動及び騒音を低減できるとともに信頼性を向上することができる。

前記複数の芯部のうち、少なくとも前記仮想第２平面側の端部に配置された芯部には、補助コイルが巻き付けられていてもよい。

この態様では、ステータの外径を大きくすることなく、モータトルクを増加させることができる。

前記直流三相モータは、前記ステータ及び前記ロータを収容するケースを備えていてもよく、この場合には、前記ケースは、前記仮想第１平面に直交する方向の長さが、前記仮想第１平面に平行な方向の長さよりも短くてもよい。この態様では、薄型のケースにステータ及びロータが収容された構成となる。

前記直流三相モータは、舵面駆動アクチュエータの駆動源として構成されていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、翼部の薄型化に寄与することができ、他のモータトルクとのトルク合成が不要である。

本発明の実施形態に係る直流三相モータが設けられた舵面駆動アクチュエータを概略的に示す図である。 前記直流三相モータの概略図である。 前記直流三相モータに設けられるステータを示す図である。 ステータの変形例を示す図である。 ステータのその他の変形例を示す図である。 補助コイルを有しない態様の直流三相モータの概略図である。 従来のアクチュエータの断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態に係る直流三相モータは、舵面駆動アクチュエータの駆動源として構成されたモータであり、インナーロータ型の直流三相モータである。舵面駆動アクチュエータは、例えば航空機の翼部の中に収容され、エルロン、エレベーター、ラダー等の動翼を駆動するために用いられる。

図１に示すように、舵面駆動アクチュエータ１０は、本実施形態に係る直流三相モータ（以下、駆動モータ１２と称する）と、この駆動モータ１２の駆動軸１２ａの回転数を所定の比率で減速する減速機構１４と、減速機構１４によって減速された回転駆動力を直線運動に変換する直動機構１６と、を備えている。直動機構１６は、例えばボールねじによって構成されており、減速機構１４の伝達軸１４ａに固定されたナット１６ａと、このナット１６ａに螺合する雄ねじシャフト１６ｂとを備えている。ナット１６ａは、減速機構１４の伝達軸１４ａと一体的に回転する。雄ねじシャフト１６ｂは、ナット１６ａの回転に伴って直線運動する。雄ねじシャフト１６ｂの先端部は、動翼２０にピン結合されている。

減速機構１４は、駆動モータ１２の駆動軸１２ａに固定された駆動ギア１４ｂの回転数を減速する第１減速ギア１４ｃと、この第１減速ギア１４ｃの回転数をさらに減速する第２減速ギア１４ｄとを有し、この第２減速ギア１４ｄには前記伝達軸１４ａが突設されている。

或いは、伝達軸１４ａに固定された螺合する雄ねじシャフト１６ｂを回転させ、雄ねじシャフト１６ｂに螺合するナット１６ａを直線運動させてもよい。

駆動モータ１２は、モータ本体２２とこのモータ本体２２から延出された駆動軸１２ａとを有する。駆動軸１２ａは、例えば直動機構１６の雄ねじシャフト１６ｂと平行になるように配置されていてもよい。駆動モータ１２は、例えば水平尾翼２４の中に配設される場合には、駆動軸１２ａは例えば水平向きになるように配置されていてもよい。なお、上から見た時に、駆動軸１２ａ及び雄ねじシャフト１６ｂが同じ方向になるように配置される構成であってもよく、或いは異なる方向に配置される構成であってもよい。

図２は、駆動モータ１２のモータ本体２２を駆動軸１２ａ方向に見たときの概略図である。図２は一例としてロータ磁極数を８極としたものである。図２に示すように、モータ本体２２は、ケース２６と、このケース２６の中に配設されたステータ２８及びロータ３０とを備えている。

ケース２６は、軸方向に直交する方向の断面が一方向（図２では左右方向）に長い形状に形成されており、ケース２６は、長手方向の端に位置する一対の長手側端部２６ａと、この両長手側端部２６ａを互いに接続する一対の平行部２６ｂと、を備えている。平行部２６ｂは何れも平板状に形成されていて互いに平行となっており、長手側端部２６ａの両端部（図２における上側端部及び下側端部）に接続されている。したがって、両平行部２６ｂ同士の間隔は、長手側端部２６ａ同士の間隔よりも小さくなっている。本実施形態のように、駆動軸１２ａが例えば水平になるように配置される場合には、一方の平行部２６ｂがケース２６の上壁となり、他方の平行部２６ｂがケース２６の底壁となる。なお、長手側端部２６ａは、図２のように、中間の箇所で折れ曲がり、複数の平坦部を接続した形状に限られるものではなく、円弧状に形成されていてもよい。

ステータ２８は、一対のステータ部３２を備えている。ステータ部３２は、ロータ３０を挟んで両側に配置されており、各ステータ部３２は、それぞれケース２６の長手側端部２６ａの内面に固定されている。ステータ２８は一体的に形成されている。すなわち、図３にも示すように、ステータ２８が、両ステータ部３２の間に配置される連結部３３を備え、この連結部３３によって両ステータ部２３を連結することにより、ステータ２８が一体的に形成される構成となっている。なお、図４又は図５に示すように、連結部３３が省略されることにより、ステータ２８が、互いに離間した一対のステータ部２８を備える構成としてもよい。このうち、図４のステータ部３２には、端に位置する芯部３２ｂとの間にスロットを形成するとともにケース２６にも固定される略三角形状の三角状部３２ｃが設けられており、図５のステータ部３２では、三角状部３２ｃが省略されている。

両ステータ部３２は、同じ形状に形成されている。各ステータ部３２は、長手側端部２６ａの内面に沿う形状の本体部３２ａと、この本体部３２ａから内側に延出する複数（本実施形態は、７つ）の芯部３２ｂとを有する。本体部３２ａは、外周面がケース２６の長手側端部２６ａの内面に接合され、平坦な端面（図２における上下方向の端面）がケース２６の平行部２６ｂの内面に接合されている。

本体部３２ａの内周面は全体としてロータ３０の外周面に沿う形状となっており、この内周面に前記複数の芯部３２ｂが一体的に形成されている。芯部３２ｂは、互いに所定の間隔をおいて配置されていて、各芯部３２ｂは、ロータ３０の半径方向又はその方向に対して少し傾斜した方向に長い形状である。

ロータ３０は、駆動軸１２ａの軸方向に所定長さを有する円筒状に形成されている。ロータ３０は、磁極３０ａを有しており、この磁極３０ａは、径方向外側の面において、ロータ３０の周方向に複数の磁極が現れるように着磁されている。図２に示す「Ｎ」「Ｓ」は、それぞれ外面にＮ極の磁極、Ｓ極の磁極が現れていることを示している。なお、磁極３０ａは円筒状に形成された一体ものでもよく、あるいは、複数の磁石を組み付けて円筒状に形成した構成のものでもよく、必ずしも磁石が外表面にある必要は無い。

芯部３２ｂは、ロータ３０の周方向の一部の範囲にのみ対向するように配置されている。具体的には、ロータ３０の軸心Ｏを通る仮想第１平面Ｐ１を基準として、この仮想第１平面Ｐ１からロータ３０回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の２つの仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみ芯部３２ｂが配置されている。したがって、この範囲外の領域、すなわち仮想第１平面Ｐ１に直交する方向に対して所定角度範囲の領域には、芯部３２ｂは配置されていない。ステータ２８が連結部３３を有しない構成のうち三角状部３２ｃが設けられていない構成（図５参照）においては、この領域はステータ２８が配置されない空間となる。芯部３２ｂ（コイル）が所定角度範囲内の領域にのみ配置される構成では、ロータの全周にコイルが配設される構成に比べてモータトルクが低減される傾向となるため、それを補うべく、芯部３２ｂの長さを仮想第１平面Ｐ１方向に長くして、その分コイルを多く巻くことができるようになっている。

仮想第１平面Ｐ１は、ケース２６の平行部２６ｂに平行な平面であり、仮想第２平面Ｐ２は、ロータ３０の軸心Ｏにおいて仮想第１平面Ｐ１と交差する平面である。仮想第１平面Ｐ１と仮想第２平面Ｐ２とのなす角度θは、特に制限ないが、例えば７０度以下の範囲である。ケース２６は、仮想第１平面Ｐ１に直交する方向の長さが、仮想第１平面Ｐ２に平行な方向の長さよりも短い形状となっている。

本実施形態では、ロータ３０の外面に８つの磁極が現れている。そして、１つの磁極に対して３つの芯部３２ｂが対向している。１つの磁極はロータ３０の軸心回りの４５度に相当する幅となっており、各ステータ部３２において、仮想第１平面Ｐ１を挟んで配置された芯部３２ｂは、１つのＳ極と１つのＮ極に対向し得る。そして、５つの芯部３２ｂ（両端の芯部３２ｂを除いた芯部３２ｂ）に三相の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流が給電されるコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが巻き付けられている。すなわち、仮想第１平面Ｐ１からロータの３０回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の２つの仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが配置されている。また、後述する補助コイル３５ｄもこの範囲内に配置されている。

なお、ロータ３０の外面に８つの磁極３０ａが現れる構成に限られるものではなく、例えば、６，１０，１２等、６以上の偶数個の磁極３０ａが現れる構成であればよい。また、１つの磁極３０ａに対して３つの芯部３２ｂが対向する構成に限られるものではなく、１つの磁極３０ａに対して３の倍数個の芯部３２ｂ、すなわち、３Ｎ（Ｎ＝１，２，・・）個の芯部３２ｂが対向する構成であればよい。

コイルとしては、第１相（例えばＵ相）の電流が流れる第１コイル３５ａと、第２相（例えばＶ相）の電流が流れる第２コイル３５ｂと、第３相（例えばＷ相）の電流が流れる第３コイル３５ｃとがある。第１コイル３５ａ、第２コイル３５ｂ及び第３コイル３５ｃは何れも、前記６つの芯部３２ｂのうち、互いに隣接する３つの芯部３２ｂ（１磁極分）に跨って巻き付けられている。なお、芯部を増やした場合（Ｎ＝２以上）、４つ以上の芯部を跨って巻きつけられる。そして、第１コイル３５ａ、第２コイル３５ｂ及び第３コイル３５ｃの順に、ロータ３０の回転方向に１つの芯部３２ｂ（１／３極）ずつずれるように配置されている。

なお、図２では、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが芯部３２ｂの一部に巻き付けられているかのように便宜上描かれているが、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃは芯部３２ｂの全体に巻き付けられている。

両端の芯部３２ｂには前記コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが巻き付けられていないが、その代わり、両端の芯部３２ｂには補助コイル３５ｄが巻き付けられている。補助コイル３５ｄは、前記コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃ（３の倍数個設けられるコイル）以外に設けられるコイルであり、前記コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃのみの場合によるトルクを増大させるために設けられている。補助コイル３５ｄは、端に配置された芯部３２ｂを含む２つ又は３つ（Ｎ＝２以上の場合、３つ以上または４つ以上）の芯部３２ｂに跨るように装着されている。図２の上側の補助コイル３５ｄには、例えば、Ｖ相とＷ相の電流が流れ、図２の下側の補助コイル３５ｄには、例えば、Ｕ相とＶ相の電流が流れる。補助コイル３５ｄを設けることにより、モータトルクを増大させることができる。なお、さらなる薄型化が要求される場合には、図２の両端の芯部３２ｂを省略して、補助コイル３５ｄを装着しない構成にすることもできる。また、図６に示すように、図１のステータ２８を用いつつ、補助コイル３５ｄを装着しない構成としてもよい。

以上説明したように、本実施形態の駆動モータ１２では、互いに隣接する３Ｎ個の芯部３２ｂの内周面が、ロータ３０に設けられた磁極３０ａの外側面の１つの磁極の幅に収まるように配置されているため、三相の各相の電流がコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃに印加された場合に、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃの周囲に生じる磁束の流れに対するステータ２８とロータ３０との間の磁気的な作用力をロータ３０の駆動力とすることができる。しかも、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄを有するステータ部３２が仮想第１平面Ｐ１からロータ３０の回転方向及びその反対方向に所定角度回転した方向の仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみ配置される構成なので、ステータ部３２及びコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃがロータ３０の全周に亘って形成される構成に比べ、仮想第１平面Ｐ１と直交する方向のステータ２８の幅を小さくすることができる。この結果、直流三相モータの厚みを薄くすることが可能となる。したがって、他のモータの出力と合成することなく、所望の出力を得ることができる。

また本実施形態では、第１コイル３５ａ、第２コイル３５ｂ及び第３コイル３５ｃがそれぞれ複数の芯部３２ｂに巻き付けられる、いわゆる分布巻きとなっている。したがって、トルクリップルの低下の為にティースやロータ形状や電流印加方法の特別な工夫をしなくても、比較的滑らかに駆動することができる。このため、振動及び騒音を低減でき、出力の大きなモータであっても振動及び騒音を低減できるとともに信頼性を向上することができる。

また本実施形態では、複数の芯部３２ｂのうち、仮想第２平面Ｐ２側の端部に配置された芯部３２ｂには、補助コイル３５ｄが巻き付けられているので、ステータ２８の外径を大きくすることなく、モータトルクを増加させることができる。

また本実施形態では、薄型のケース２６にステータ２８及びロータ３０が収容された構成となっており、ケース２６の平行部２６ｂを設置面としても利用することができるため、モータを安定して設置しやすくなる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

前記実施形態では、直動機構１６と駆動モータ１２とが上下方向に並んで配置される例を示したが、これに限られるものではない。例えば、直動機構１６の軸方向に駆動モータ１２が配置される構成としてもよい。

１０ 舵面駆動アクチュエータ
１２ 駆動モータ
１２ａ 駆動軸
２２ モータ本体
２６ ケース
２６ａ 長手側端部
２６ｂ 平行部
２８ ステータ
３０ ロータ
３０ａ 磁石
３２ ステータ部
３２ａ 本体部
３２ｂ 芯部
３２ｃ 内側部
３２ｄ 外側部
３５ａ 第１コイル
３５ｂ 第２コイル
３５ｃ 第３コイル
３５ｄ 補助コイル
Ｏ 軸心
Ｐ１ 仮想第１平面
Ｐ２ 仮想第２平面

Claims (5)

1. 磁石を有するロータと、
   前記ロータの外側に配置され、前記ロータの外周面に対向する内周面を有する複数の芯部を含むステータと、
   前記複数の芯部に巻き付けられた３つ以上のコイルと、を備え、
   前記ロータの外側面は、Ｎ極の磁極とＳ極の磁極とが前記ロータの周方向に交互に並んでおり、
   前記コイルは、前記ロータの軸心を通る仮想第１平面を基準として、この仮想第１平面からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の仮想第２平面までの範囲内にのみ配置され、
   前記複数の芯部のうち互いに隣接する３Ｎ（Ｎ＝１，２，３・・・）個の芯部の内周面は、前記磁極の外側面の１つの磁極の幅に収まるように配置されている直流三相モータ。
2. 前記３つ以上のコイルには、第１相の電流が流れる第１コイルと、第２相の電流が流れる第２コイルと、第３相の電流が流れる第３コイルと、が含まれ、
   前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルは、何れも、互いに隣接する複数の芯部に跨って巻き付けられるとともに、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルの順に、前記ロータの回転方向に１／３極ずつずれるように配置されている請求項１に記載の直流三相モータ。
3. 前記複数の芯部のうち、少なくとも前記仮想第２平面側の端部に配置された芯部には、補助コイルが巻き付けられている請求項２に記載の直流三相モータ。
4. 前記ステータ及び前記ロータを収容するケースを備えており、
   前記ケースは、前記仮想第１平面に直交する方向の長さが、前記仮想第１平面に平行な方向の長さよりも短い請求項１から３の何れか１項に記載の直流三相モータ。
5. 舵面駆動アクチュエータの駆動源として構成された請求項１から４の何れか１項に記載の直流三相モータ。

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