JP2013135560A - トルク定数可変型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】構造の複雑化を回避しつつ負荷トルクに適した制御を効率良く行えるトルク定数可変型モータを提供する。
【解決手段】ハウジング（１０）の内側に固定されたステータ（２０）と、前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸（３０）と、前記回転軸に同軸に支持され、前記ステータの内側で回転可能であるとともに、前記回転軸にネジ対偶部（３１，４１）を介して係合し前記回転軸の軸方向に移動可能なロータ（４０）と、前記回転軸に対し前記ロータを軸方向の一方に付勢するスプリング（５０）と、を備え、前記回転軸の負荷トルクに応じて前記ロータが前記スプリングの付勢により軸方向に移動し、磁束鎖交数が変化するように構成されたトルク定数可変型モータ（１００）において、前記ロータ（４０）は、前記ネジ対偶部の外周側に同軸配置された外筒部（４４）を含むカップ状をなし、前記スプリング（５０）は、前記外筒部の内側で前記回転軸の周囲に同軸配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、トルク定数可変型モータに関する。

一般に、細長いペンシル型モータは高回転・低トルク、扁平型モータは低回点・大トルクでの使用に構造的に適している。通常のモータでは、諸元に応じてトルク定数（誘起電圧定数）が決定される。このトルク定数を負荷トルクの変動に応じて変更できるトルク定数可変型モータが公知である（例えば特許文献１〜３を参照）。

特開平５−３００７１２号公報 特開平５−１９９７０５号公報 ＷＯ２００５／００８８６５号公報

ラジアルギャップ形のトルク定数可変型モータでは、ロータとステータの軸方向の相対位置を変化させて磁束鎖交数を変更する。軸方向相対位置の制御方式には、アクチュエータを用いたアクティブ制御と、スプリングやダンパーによるパッシブ制御がある。前者は後者に比べて構造が複雑化する傾向がある。一方、後者の場合は効率を損なわずに利用形態に即した制御を行えるかどうかが課題であった。

本発明は上記のような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、構造や機構の複雑化を回避しつつ負荷トルクに適した制御を効率良く行えるトルク定数可変型モータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、ハウジング（１０）の内側に固定されたステータ（２０）と、前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸（３０）と、前記回転軸に同軸に支持され、前記ステータの内側で回転可能であるとともに、前記回転軸にネジ対偶部（３１，４１）を介して係合し前記回転軸の軸方向に移動可能なロータ（４０）と、前記回転軸に対し前記ロータを軸方向の一方に付勢するスプリング（５０）と、を備え、前記回転軸の負荷トルクに応じて前記ロータが前記スプリングの付勢により軸方向に移動し、磁束鎖交数が変化するように構成されたトルク定数可変型モータ（１００）において、前記ロータ（４０）は、前記ネジ対偶部の外周側に同軸配置された外筒部（４４）を含むカップ状をなし、前記スプリング（５０）は、前記外筒部の内側で前記回転軸の周囲に同軸配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、スプリングがロータの内側に同軸配置されることで、ロータ周面を全面的に界磁と電機子のギャップ領域とすることができ、モータを扁平型にして高トルクを得るうえで有利である。また、スプリングの付勢力を回転軸の中心付近にバランス良く作用させることができ、かつ、摺動部が必要最小限になり機械的損失の少ないトルク定数可変型モータを構成できる。

本発明の他の好適な態様では、前記回転軸と前記ロータとの間に介在する中間筒（７０）をさらに備え、前記ネジ対偶部が、前記回転軸と前記中間筒との間の第１のネジ対偶部（３７，７７）と、前記中間筒と前記ロータとの間の第２のネジ対偶部（７８，８８）とを含み、前記回転軸（３０）に対して前記中間筒（７０）が、前記中間筒（７０）に対して前記ロータ（８０）が、それぞれ、軸方向に相対移動可能であるとともに、前記第１のネジ対偶部（３７，７７）と前記第２のネジ対偶部（７８，８８）とが互いに逆方向のネジ対偶をなす。

上記構成によれば、回転軸への負荷トルクに応じて中間筒が軸方向に移動し、定常運転から回生制動に円滑に移行できかつ何れの状態でも負荷に応じてトルク定数が最適化され、制動力および発電効率の良い回生制動を実施できる。

本発明の好適な態様では、前記外筒部（４４，８４）の外周面に磁性体（４６，８６）が配設され、前記ロータの回転位置検出用磁気センサ（６０，６２）が前記外筒部（ヨーク）の内側に配設されている。この構成によれば、ロータの軸方向位置に拘わらず、かつ、ステータコアが発生する磁力の影響を受けずにロータの回転位置を検出できる。

本発明に係るトルク定数可変型モータは、以上述べたような構成により、構造や機構の複雑化を回避しつつ負荷トルクに適した制御を効率良く行える。

本発明の第１実施形態に係るトルク定数可変型モータを示す縦断面図であり、（ａ）は高トルク時、（ｂ）は低トルク時を示し、（ｃ）はロータの横断面図である。 本発明の第２実施形態に係るトルク定数可変型モータを示す縦断面図であり、（ａ）は高トルク時、（ｂ）は低トルク時を示している。 本発明の第２実施形態に係るトルク定数可変型モータの回生制動時を示す縦断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１において、本発明に係る第１実施形態のモータ１００は、トルク定数可変型のブラシレスＤＣモータであり、２分割式のハウジング１０（１１，１２）、その内側に固定されたステータ２０、ハウジング１０の各ハーフ１１，１２にベアリング１３，１４を介して回転可能に支持された回転軸３０、該回転軸３０に同軸に支持されかつネジ対偶部３１，４１を介して係合し軸方向に移動可能なロータ４０、回転軸３０に対しロータ４０を軸方向の一方に付勢するスプリング５０、ロータ４０の回転位置検出用磁気センサ６０などから主に構成されている。

ステータ２０は、例えば電磁鋼板の積層体で構成された複数の突極からなるステータコア２１の各突極に巻線２２を巻装してなる。回転軸３０（モータ出力軸）の先端には、スプロケットなどが取り付けられる。また、回転軸３０の軸方向中央部には大リードの雄ネジからなるネジ対偶部３１が形成されており、その先端側には、ベアリング１３のインナースリーブに隣接してリテーナ３２が固定されている。

リテーナ３２は、回転軸３０に固定されてスプリング５０の一端の受け部となるフランジ部３３と、該フランジ部３３（受け部）から、ネジ対偶部３１を覆うように延出した円筒状のスリーブ部３４とを備えている。このスリーブ部３４の内側には、後述するロータ４０のハブ部４２が挿入され、これらは、ロータ４０の軸方向への移動および回動を許容しながらネジ対偶部３１，４１を覆うとともにスプリング５０を内周側から支持する伸縮円筒継手（テレスコピックジョイント）を構成している。

ロータ４０は、回転軸３０のネジ対偶部３１に係合する雌ネジからなるネジ対偶部４１が形成された円筒状のハブ部４２と、該ハブ部４２のリテーナ３２に対して反対側に位置した端部に周設されたフランジ部４３と、該フランジ部４３の外周部からリテーナ３２側に延出し、かつ、ハブ部４２の外周側に同軸配置された外筒部４４とを含み、全体が二重円筒状もしくはカップ状に構成されている。

外筒部４４の外周面には、モータの極数に応じて複数の永久磁石４６が周方向に等ピッチかつ交互に極性を逆にして配設されている。本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、永久磁石４６が１２極であり、外筒部４４はヨークをなしている。対応するステータコア２１は例えば１５極であり、巻線２２は多相結線され制御回路に接続される。外筒部４４の両端には冷却用フィン４７が一体に設けられ、空気取入口１５，１６から吸入した外気をステータ２０に吹き当て空気排出口１７から排出可能である。

ハブ部４２にはフランジ部４３との接続部に隣接してリング状のベアリング４５（リテーナ）が配設されている。ベアリング４５は、スプリング５０の付勢力の作用下でロータ４０（フランジ部４３およびハブ部４２）との相対的な回動が許容されるように、スプリング５０の端部とフランジ部４３（およびハブ部４２）との間に介設されたスラストベアリングまたはアンギュラベアリングなどとすることができる。また、ロータ４０とベアリング１４との間には、ロータ４０の軸方向における移動を規制するストッパ３５が介設されている。

磁気センサ６０は、ブラケット６１の先端部に、ステータコア２１に対応した所定ピッチで周方向に並設されている。ホールＩＣなどを既知のものを使用可能である。ブラケット６１は、ハウジング１０の一方のハーフ１１に基部を固定され、ロータ４０の外筒部４４（ヨーク）の内側、スプリング５０との間の空間に延出しており、ロータ４０の回転位置を、その軸方向位置に拘わらずかつ永久磁石４６の界磁の影響を受けずに検出可能である。

次に、上記第１実施形態に基づく作用について説明する。

図１（ａ）および（ｂ）において、回転軸３０とロータ４０とのネジ対偶部３１，４１のリード角は、モータ１００が停止状態にあるとき、直前のロータ４０の位置に拘わらず、スプリング５０の付勢力によってロータ４０が回動しながら図１中右方向に移動できるように充分大きく設定されている。

したがって、モータ１００が、例えば電気自動車のモータである場合、停止状態では、ロータ４０は、図１（ｂ）に示されるように軸方向の右側（低トルク側）に位置しストッパ３５と当接している。この状態では、図１（ａ）に示される高トルク時の場合と比べて、永久磁石４６とステータコア２１とが径方向に重合する面積は小さい。

このような停止状態から、モータ１００に電源が供給されてロータ４０に回転力が生じると、電気自動車の発進時には回転軸３０に大きなトルクが負荷されるので、回転軸３０が回転する以前に、ロータ４０がネジ対偶部３１，４１で案内されて回動しながらスプリング５０の付勢に抗して図中左側（高トルク側）に移動する。それと共に、図１（ａ）に示されるように、永久磁石４６とステータコア２１の重合面積が増加し、磁束鎖交数が増えてトルク定数（誘起電圧定数）が大きくなり、ステータ２０の電流値に対して大きなトルクが発生するようになり、回転軸３０を大トルクにて駆動回転する。すなわち、高トルク低回転型のモータとして駆動され、しかも、負荷に見合ったトルク定数となるまで連続的にトルク定数が上昇する。

一方、電気自動車の車速が上昇し加速度が小さくなると、モータ１００に負荷されるトルクが減少する。すると、スプリング５０の付勢力によって、ロータ４０が、ネジ対偶部３１，４１で案内されつつ図中右側に移動し、それと共に、永久磁石４６とステータコア２１の重合面積、磁束鎖交数、トルク定数（誘起電圧定数）が連続的に減少し、図１（ｂ）に示されるような低トルク高回転型のモータ１００に移行していく。

上記のようなモータ１００の運転において、負荷トルクが定常状態となると回転軸３０とロータ４０およびスプリング５０が一体となって回転するため、スプリング５０とロータ４０との間のベアリング４５は相対回転しなくなる。したがって、この部分での回転抵抗が恒常的に効率に影響することはない。また、スプリング５０は回転軸３０と同軸配置されかつベアリング４５の径も比較的小さいので、付勢力が回転軸３０の近傍に作用し、周方向でアンバランスを生じることもない。

（第２実施形態）
図２（ａ）（ｂ）および図３は、本発明に係る第２実施形態のモータ２００を示している。モータ２００もトルク定数可変型のブラシレスＤＣモータであり、基本的な構成は先述した第１実施形態のモータ１００と同様であるので、同様の部材には同様の符号を付して説明を省略し、以下、変更点について説明する。

各図において、モータ２００は、回転軸３０の中央部に大径部３６が設けられ、該大径部３６に内筒３８（スリーブ）が嵌着されている。内筒３８の外周面には大リードの雄ネジからなるネジ対偶部３７が形成されており、その先端部にはフランジ３９が設けられている。内筒３８の内部にはスプリング５２が収容されている。スプリング５２は、回転軸３０（大径部３６）とロータ８０（ベアリング８５）との間に介装され、ロータ８０を図中右方向に付勢する。

ロータ８０は、ベアリング８５を介してスプリング５２の付勢力を受ける円筒状のハブ部８２と、該ハブ部８２のベアリング８５に対して反対側に位置した端部に周設されたフランジ部８３と、該フランジ部８３の外周部から延出し、ハブ部８２の外周側に同軸配置された外筒部８４とを含み、全体が二重円筒状もしくはカップ状に構成されている点は第１実施形態と同様であるが、外筒部８４の内周面には雌ネジからなるネジ対偶部８８が形成されている。

回転軸３０と一体の内筒３８と、ロータ８０の外筒部８４との間には中間筒７０が介設されている。中間筒７０は、内周面に雌ネジからなるネジ対偶部７７が形成され、外周面には雄ネジからなるネジ対偶部７８が形成されている。そして、内筒３８と中間筒７０とは第１のネジ対偶部３７，７７を介して係合し、中間筒７０とロータ８０とは第２のネジ対偶部７８，８８を介して係合しており、回転軸３０に対して中間筒７０が、中間筒７０に対してロータ８０が、それぞれ、軸方向に相対移動可能であるが、第１のネジ対偶部３７，７７と第２のネジ対偶部７８，８８とは、互いに逆方向のネジ対偶をなしている。

なお、外筒部８４の内周側先端には、中間筒７０を係合した後に、その抜脱を防止するためのストッパ８７が螺着される。また、上記第１のネジ対偶部３７，７７および第２のネジ対偶部７８，８８のリード角が、スプリング５２の付勢力によってロータ８０が回動しながら図中右方向に移動できるように充分大きく設定されている点は第１実施形態と同様である。

次に、上記第２実施形態に基づく作用について説明する。

図２（ａ）および（ｂ）において、モータ２００が、例えば電気自動車のモータである場合、停止した状態では、ロータ８０は、スプリング５２の付勢力によって、図２（ｂ）に示されるように軸方向の右側（低トルク側）に移動し、ストッパ８７が中間筒７０を挟んで内筒３８のフランジ３９に係止される位置にある。この状態では、図２（ａ）に示される高トルク時の場合と比べて、永久磁石８６とステータコア２１とが径方向に重合する面積は小さい。

このような停止状態から、モータ２００に電源が供給されてロータ８０に回転力が生じると、ロータ８０が第２ネジ対偶部７８，８８で案内されて回動しながらスプリング５２の付勢に抗して図中左側（高トルク側）に移動する。それと共に、図２（ａ）に示されるように、永久磁石８６とステータコア２１の重合面積が増加し、磁束鎖交数が増えてトルク定数（誘起電圧定数）が大きくなり、ステータ２０の電流値に対して大きなトルクが発生するようになり、回転軸３０を大トルクにて駆動回転する点は第１実施形態と同様である。

次いで、モータ２００の回転数が上昇し、負荷トルクが減少すると、スプリング５２の付勢力によって、ロータ８０が第２ネジ対偶部７８，８８で案内されつつ図中右側（低トルク側）に移動し、永久磁石８６とステータコア２１の重合面積、磁束鎖交数、トルク定数（誘起電圧定数）が連続的に減少し、図２（ｂ）に示されるような低トルク高回転型・定常状態に移行していく点も第１実施形態と同様である。

一方、このような定常運転状態から、電気自動車のスロットルをオフにすると、ロータ８０の回転力が消失すると同時に、車軸側から回転軸３０にトルクが入力され、回転軸３０と一体の内筒３８と逆方向の第１のネジ対偶部３７，７７を介して係合する中間筒７０が、ネジ対偶部３７，７７で案内されかつスプリング５２の付勢力に抗して、図３に示されるように軸方向左側（高トルク側）に移動する。

これに伴い、回転軸３０（内筒３８）から中間筒７０を介してロータ８０（外筒部８４）にトルクが伝達され、モータ２００は発電機として駆動される。従って、モータ２００のコントローラ（図示せず）により、モータ２００から取り出す電力（電流）を調節することにより、ロータ８０の軸方向位置を変化させ、回生ブレーキの強弱・特性を変化させることができる。

また、上記モータ２００では、スプリング５２が回転軸３０の周面に沿いかつ該周面と内筒３８との間の空間内に保持されるので、スプリング５２の付勢力を無駄なくロータ８０に伝達できる。また、ベアリング８５の径が必要最小限となるので、スプリング５２とロータ８０が相対回転する場合の抵抗が最小限になり、定常状態に移行する過程でも効率的な動作が可能となる。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

例えば、上記実施形態では、本発明を回転界磁形のモータ、かつ、インナーロータ形のモータとして実施する場合を示したが、界磁の位置に応じて回転電機子形のモータ、ロータの内外位置に応じてアウターロータ形のモータとして実施することもできる。

１０ ハウジング
２０ ステータ
２１ ステータコア
２２ 巻線
３０ 回転軸
３１，４１ ネジ対偶部
３４ スリーブ部
３７，７７ 第１のネジ対偶部
３８ 内筒
４０，８０ ロータ
４２，８２ ハブ部
４４，８４ 外筒部
４６，８６ 永久磁石
５０，５２ スプリング
６０，６２ 磁気センサ
７０ 中間筒
７８，８８ 第２のネジ対偶部
１００，２００ モータ

Claims (3)

1. ハウジングの内側に固定されたステータと、
   前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、
   前記回転軸に同軸に支持され、前記ステータの内側で回転可能であるとともに、前記回転軸にネジ対偶部を介して係合し前記回転軸の軸方向に移動可能なロータと、
   前記回転軸に対し前記ロータを軸方向の一方に付勢するスプリングと、
   を備え、前記回転軸の負荷トルクに応じて前記ロータが前記スプリングの付勢により軸方向に移動し、磁束鎖交数が変化するように構成されたトルク定数可変型モータにおいて、
   前記ロータは、前記ネジ対偶部の外周側に同軸配置された外筒部を含むカップ状をなし、前記スプリングは、前記外筒部の内側で前記回転軸の周囲に同軸配置されていることを特徴とするトルク定数可変型モータ。
2. 前記回転軸と前記ロータとの間に介在する中間筒をさらに備え、
   前記ネジ対偶部が、前記回転軸と前記中間筒との間の第１のネジ対偶部と、前記中間筒と前記ロータとの間の第２のネジ対偶部とを含み、前記回転軸に対して前記中間筒が、前記中間筒に対して前記ロータが、それぞれ、軸方向に相対移動可能であるとともに、前記第１のネジ対偶部と前記第２のネジ対偶部とが互いに逆方向のネジ対偶をなすことを特徴とする請求項１記載のトルク定数可変型モータ。
3. 前記外筒部の外周面に磁性体が配設され、前記ロータの回転位置検出用磁気センサが前記外筒部の内側に配設されており、回転界磁形ブラシレスモータとして構成されていることを特徴とする請求項１記載のトルク定数可変型モータ。

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