JP2019161782A - 電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】トルクリップルとスラスト振動を共に低減し得るような構成を備えた電動モータを提供する。【解決手段】電動モータ２は、回転軸４に取り付けられ希土類系のマグネット１７を備えるロータ１２と、ロータ１２に対し空隙を介して配置されたステータ１１と、ウォーム６とウォームホイール７とを備えた減速機構部３と、を有する。ロータ１２は、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置Ｐが、回転４軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有する。当該スキュー構造は、磁極境界位置Ｐが回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部３１と第２スキュー部３２を有し、第１及び第２スキュー部３１,３２によって形成されるスキュー角θが電気角で６０°〜８０°に設定される。【選択図】図２

Description

本発明は、電動モータに関し、特に、ウォームギヤ等による変速機構を備えた電動モータに関する。

従来より、電動モータ（以下、モータと略記する）のトルクリップルやコギングを低減する手段として、磁極の極性が切り替わる位置（磁極境界位置）を、軸方向に沿って回転方向にずらす、いわゆるスキュー構造が知られている。ところが、このようなスキュー構造のモータでは、磁極境界位置の傾斜に伴い、磁気的な吸引反発による回転力と共に、その軸方向成分によってスラスト力（回転軸延伸方向に沿った力）が発生する。このため、スキュー構造のモータでは、スキューによりトルクリップルの低減は図られるものの、残存するトルクリップルにより、前述のスラスト力にもリップルが発生する。

そこで、このようなスラスト力のリップル（以下、スラスト振動と称する）を抑える手法として、従来より、ストッパによってベアリングをスラスト方向に固定したり、カーブワッシャ等でスラストに予圧を付加したりする物理的な抑制手法が行われている。また、特許文献１のように、スキューの傾斜方向を軸方向に沿って切り替え、スラスト力を相殺する構成も提案されている。

特開２０１４−１０７９５１号公報 特開２００７−２０４９８２号公報

一方、モータの回転を減速機構等によって変速する場合、変速ギヤとして、歯面がスラスト方向と平行でないウォームギヤやヘリカルギヤ等が用いられることも多い（特許文献２）。このような変速機構を備えたモータは、ギヤ同士が連続的に噛み合う状態となり、ギヤの噛み合い音や振動が抑えられるため、静粛性が求められる自動車用モータ等に多く採用されている。しかしながら、スキュー構造を有するモータでは、前述のようにスキューに伴うスラスト振動が生じるため、ウォームギヤ等であっても歯の噛み合い状態が不連続となり、音や振動の発生原因となる。

また、このようなスラスト振動は、希土類系の磁石のように磁石の磁束密度が高いと、磁気的な吸引反発力が大きくなるため大きくなる傾向がある。さらに、モータの軸長が短くなると、軸長が長いものに比して、同じスキュー角でも磁極境界の傾きが大きくなるため、スラスト振動が大きくなる。このため、希土類系の磁石を使用した場合、モータ軸長を小さくでき、モータの小型化が図れるものの、スラスト振動が大きくなりやすい。

その点、前述のように、物理的に軸の移動を抑えてスラスト振動を防止する方法では、スラスト振動による問題は生じにくい。しかしながら、その反面、部品点数が増加してしまい、製品コストが増加するという問題あった。また、スキューの傾斜方向を切り替える方法も、スラスト振動の低減効果はあるものの、単にスキュー方向を切り替えるだけでは、モータのトルクリップルとスラスト振動の双方を共に低減することは難しい。

本発明の目的は、トルクリップルとスラスト振動を共に低減し得るような構成を備えた電動モータを提供することにある。

本発明の電動モータは、回転軸を備えたロータと、前記ロータに対し空隙を介して配置されたステータと、前記回転軸に設けられた駆動ギヤと該駆動ギヤと噛合する被動ギヤとを備えた変速機構と、を有する変速機構付きの電動モータであって、前記駆動ギヤ及び前記被動ギヤは、前記回転軸の延伸方向に対して平行ではない歯面を有し、前記ロータは、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置が、前記回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有し、前記スキュー構造は、前記磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部と第２スキュー部を有し、該第１及び第２スキュー部によって形成されるスキュー角が電気角で６０°〜８０°であることを特徴とする。

本発明にあっては、スキュー構造を有するロータに、磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にするいわゆるＶスキュー構造を採用することにより、スキューに伴うスラスト振動を低減させ、ギヤの噛み合い状態が不連続となるのを防止し、音や振動の発生を抑制する。また、Ｖスキュー構造を採用しつつ、そのスキュー角を電気角６０°〜８０°の範囲に設定することにより、トルクリップルとスラスト振動の双方をバランス良く低減する。

前記電動モータにおいて、前記ロータに希土類系のマグネットを設け、前記第１スキュー部と前記第２スキュー部を前記マグネットに形成するようにしても良い。これにより、希土類系磁石を用いた小型で高性能モータにおいて、トルクリップルとスラスト振動を共にバランス良く低減させることが可能となる。また、前記第１スキュー部と前記第２スキュー部を、軸方向に沿って対称に形成しても良い。すなわち、前記第１スキュー部と前記第２スキュー部の軸方向長を等しくしても良い。さらに、前記駆動ギヤとしてウォームギヤを使用し、前記被動ギヤとしてウォームホイールを使用しても良い。

本発明の電動モータによれば、スキュー構造を有するロータに、磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にするいわゆるＶスキュー構造を採用することにより、スキューに伴うスラスト振動を低減させることができる。また、Ｖスキュー構造を採用しつつ、そのスキュー角を電気角６０°〜８０°の範囲に設定することにより、トルクリップルとスラスト振動の双方をバランス良く低減することが可能となる。

本発明の一実施の形態であるモータユニットの構成を示す断面図である。 図１のモータユニットにおけるロータの構成を示す説明図である。 マグネットのスキュー構造を示す説明図である。 通常のスキューとＶスキュー着磁の場合におけるスラスト電磁力の１２次成分を比較して示したグラフである。 スラスト電磁力のリップルを示すグラフである。 スキュー角とトルクリップルとの関係を示す説明図である。 スキュー角とスラスト電磁力との関係を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態である電動モータを用いたモータユニット１の構成を示す断面図である。図１のモータユニット１は、電動モータ２（以下、モータ２と略記する）と、減速機構部（変速機構）３とから構成されており、例えば、自動車のサンルーフやワイパ装置、パワーウインド、パワーシートなどの駆動源として使用される。モータユニット１では、モータ２の回転軸４の回転は減速機構部３内にて変速され、出力軸５からユニット外に出力される。

モータ２はブラシレスモータであり、ステータ１１と、ステータ１１内に回転自在に配置されたロータ１２とから構成されている。ステータ１１は、有底筒状のモータハウジング１３と、モータハウジング１３の内面に固定されたステータコア１４を備えている。ステータコア１４は、磁性体にて形成されたプレートを複数枚積層して形成され、軸方向に延びる複数（ここでは、６個）のスロット１５を有している。スロット１５内には、複数相の巻線を形成するコイル１６が巻装されている。ロータ１２は、回転軸４と、回転軸４に固定されたマグネット１７とを備えている。回転軸４の一端側は、モータハウジング１３の端部に配された軸受１８によって回転自在に支持されている。マグネット１７は、ネオジウムや、ジスプロシウム、サマリウムなどの希土類系の永久磁石であり、周方向に沿って極性が異なるように着磁されたリングマグネット（ここでは、４極着磁）が使用されている。

減速機構部３は、回転軸４に形成されたウォーム６と、ウォーム（駆動ギヤ）５と噛合するウォームホイール（被動ギヤ）６とから構成されており、合成樹脂やアルミダイカストにて形成されたギヤケース２１内に配されている。図１に示すように、ギヤケース２１には、モータハウジング１３の一端開口側が固定されている。モータ２の回転軸４はギヤケース２１内に延伸しており、回転軸４は、ギヤケース２１内に設けられたベアリング２２と軸受２３によって回転自在に支持されている。ウォームホイール７は出力軸５に固定されており、出力軸５は、ウォームホイール７と共に回転する。ウォーム６やウォームホイール７は、各歯面６ａ,７ａがスラスト方向Ｘ（回転軸４の延伸方向）とは平行ではなく、スラスト方向に対し傾斜している。

図２は、ロータ１２の構成を示す説明図である。図２に示すように、モータ２では、マグネット１７の磁極境界線Ｐが、軸方向に沿って径方向にずれるスキュー着磁がなされている。図３は、マグネット１７におけるスキュー構造を示す説明図である。図３に示すように、マグネット１７では、磁極境界線Ｐの傾斜方向が軸方向に沿って切り替えられており、磁極境界線ＰがＶ字形に形成されている。すなわち、マグネット１７には、いわゆるＶスキュー着磁が施されており、軸方向に沿って、傾斜方向の異なる第１スキュー部３１と第２スキュー部３２が設けられている。

ここでは、磁極境界線Ｐの折り返し点Ｍ、つまり、第１スキュー部３１と第２スキュー部３２の接続点は、マグネット１７の軸方向長Ｌの半分（Ｌ／２）の位置に設けられている。したがって、第１スキュー部３１と第２スキュー部３２は、マグネット１７の外周に軸方向に沿って対称に形成される。そして、図３に示すように、磁極境界線Ｐの始点Ｑ１、終点Ｑ２と折り返し点Ｍとの間の周方向の角度θがスキュー角となっている。なお、モータ２では、第１,第２スキュー部３１,３２が軸方向に沿って対称のため、始点Ｑ１と終点Ｑ２は軸方向の同じ位置に存在している。また、点Ｑ１と点Ｑ２は、何れが始点でも終点でも良い。

一方、電動モータにおけるスキュー角は、極数を（２Ｐ）とスロット数を（Ｔ）したとき、トルクリップルが最小となる理論値は、
Ｐ×（３６０°／２ＰとＴの最小公倍数）
となる。これから、４極６スロットのモータでは、理論スキュー角（電気角）は６０°となる。これに対し、モータ２では、スキュー角θが、電気角６０°〜８０°の範囲、好ましくは、８０°程度に設定されている。

図４は、通常のスキュー（傾斜方向の切り換えなし）とＶスキュー着磁の場合におけるスラスト電磁力の１２次成分を比較して示したグラフ、図５は、スラスト電磁力のリップル（回転角度（電気角）とスラスト電磁力との関係）を示すグラフである。なお、何れも４極６スロットモータにおける値である。図４に示すように、Ｖスキュー着磁の場合、極数４とスロット数６の最小公倍数である１２次の電磁力が、通常のスキューよりも大幅に小さくなっている。このため、図５のように、電磁力のリップルも大幅に小さく抑えられる。したがって、モータ２のように、希土類系磁石にＶスキュー着磁を適用することにより、スラスト電磁力のリップル（スラスト振動）を低減することが可能になる。その結果、希土類系磁石を用いたモータにおいて、ウォーム等の減速機構における歯の噛み合い不連続による音や振動を抑えることが可能になる。

また、前述のように、当該モータ２では、スキュー角θが、電気角６０°〜８０°の範囲に設定されている。図６は、スキュー角（電気角）とトルクリップルとの関係を示す説明図、図７は、スキュー角（電気角）とスラスト電磁力（１２次成分）との関係を示す説明図である。図６に示すように、トルクリップルは、スキュー角θが７０°のとき極小値を示し、次いで、６０°、８０°が低くなる。これに対し、スラスト電磁力は、６０°のとき極小値を示し、７０°で一旦高くなった後、８０°にて６０°よりもやや高い極小値を示す。そこで、これらの結果を総合すると、トルクリップルとスラスト電磁力の双方をバランス良く低減できるのは、スキュー角θを電気角６０°〜８０°の範囲であり、その中でも、８０°近傍は両者を低く抑えられる。

このように、本発明によるモータ２は、ロータマグネットに希土類系磁石を使用して高磁束密度化を図りつつ、Ｖスキュー構造を適用することにより、スラスト振動を低減させる。これにより、スキューに伴うスラスト振動を抑制することができ、ウォームギヤ等において歯の噛み合い状態が不連続となるのを防止し、音や振動を抑えることが可能になる。また、Ｖスキュー構造を採用しつつ、そのスキュー角θを電気角６０°〜８０°の範囲、好ましくは、８０°程度に設定することにより、トルクリップルとスラスト電磁力の双方をバランス良く低減できる。これにより、トルクリップルとスラスト振動を共にバランス良く低減し得る小型で高性能の電動モータを提供することが可能となる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、図２では、磁極境界線ＰのＮ側が凸、Ｓ側が凹となっているが、磁極境界線Ｐの傾斜方向はこの逆であっても良い。また、前述の実施形態では、マグネット１７にリングマグネットを用いた構成を示したが、セグメントマグネットを用いても良く、その場合、軸方向に沿って複数個のマグネットを径方向にずらしながら配置するいわゆるステップスキュー構造としても良い。さらに、モータ２では、マグネット１７をステータコア１４に直接対向させるＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）構成としたが、ロータ側に鋼製のロータコアを設け、その内側にマグネットを埋設したＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構成のモータにも本発明は適用可能である。

加えて、本発明は、ブラシレスモータのみならず、ブラシ付きモータにも適用可能であり、その場合、例えば、アーマチュア側のコア（積層鉄芯）をＶスキュー構造とする。また、前述の実施の形態では、回転軸４を、モータ２から減速機構部３に至る１本構造としたが、これを複数のシャフトから構成する分割シャフト構造とすることも可能である。さらに、減速機構部３のギヤとしては、ウォーム・ウォームホイールのみならず、ピニオンとハイポイドギヤ、ヘリカルギヤによるフェースギヤなどを用いることも可能である。

本発明による電動モータは、自動車の車載モータのみならず、家電製品や産業機械等に使用される電動モータにも広く適用可能である。

１ モータユニット
２ 電動モータ
３ 減速機構部
４ 回転軸
５ 出力軸
６ ウォーム（駆動ギヤ）
６ａ 歯面
７ ウォームホイール（被動ギヤ）
７ａ 歯面
１１ ステータ
１２ ロータ
１３ モータハウジング
１４ ステータコア
１５ スロット
１６ コイル
１７ マグネット
１８ 軸受
２１ ギヤケース
２２ ベアリング
２３ 軸受
３１ 第１スキュー部
３２ 第２スキュー部
Ｌ マグネット軸方向長
Ｐ 磁極境界線
Ｍ 磁極境界線の折り返し点
Ｑ１ 磁極境界線の始点
Ｑ２ 磁極境界線の終点
Ｘ スラスト方向
θ スキュー角

Claims (4)

1. 回転軸を備えたロータと、
   前記ロータに対し空隙を介して配置されたステータと、
   前記回転軸に設けられた駆動ギヤと、該駆動ギヤと噛合する被動ギヤとを備えた変速機構と、を有する変速機構付きの電動モータであって、
   前記駆動ギヤ及び前記被動ギヤは、前記回転軸の延伸方向に対して平行ではない歯面を有し、
   前記ロータは、磁極の極性が切り替わる磁極境界位置が、前記回転軸の延伸方向に沿って回転方向にずれるスキュー構造を有し、
   前記スキュー構造は、前記磁極境界位置が回転方向にずれる方向を互いに異にする第１スキュー部と第２スキュー部を有し、該第１及び第２スキュー部によって形成されるスキュー角が電気角で６０°〜８０°であることを特徴とする電動モータ。
2. 請求項１記載の電動モータにおいて、
   前記ロータは希土類系のマグネットを備え、
   前記第１スキュー部と前記第２スキュー部は、前記マグネットに形成されることを特徴とする電動モータ。
3. 請求項１または２記載の電動モータにおいて、
   前記第１スキュー部と前記第２スキュー部は、軸方向に沿って対称に形成されることを特徴とする電動モータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の電動モータにおいて、
   前記駆動ギヤはウォームギヤであり、前記被動ギヤはウォームホイールであることを特徴とする電動モータ。

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