JP2021078194A - 電動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】動力源であるブラシレスモータに対する優れた冷却性能を備えた電動アクチュエータを実現する。【解決手段】電動アクチュエータ１Ａは、ステータ４１及びロータ４２を含むブラシレスモータ４０と、ブラシレスモータ４０を収容する軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい扁平なハウジング３０と、ブラシレスモータ４０と共にハウジング３０に収容された制御基板５０と、ブラシレスモータ４０から出力される動力の回転速度を減じて出力するハウジング３０と一体化された減速機構６０と、を有する。ハウジング３０は、ブラシレスモータ４０を挟んで軸方向に対向するカバー１０及びブラケット２０を備え、ブラシレスモータ４０とブラケット２０との間に、第１面７１がステータ４１に密着し、第２面７２がブラケット２０に密着する熱伝導シート７０が配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電動アクチュエータに関し、特にブラシレスモータを動力源とする電動アクチュエータに関する。

今日、様々な分野において電動アクチュエータが利用されている。例えば、電動アクチュエータは、歩行補助車や車椅子の駆動源としてこれら歩行補助車や車椅子の車輪に内蔵されている。この種の用途に用いられる電動アクチュエータは、小型軽量であることはもちろん、車輪に内蔵するのに適した形状であることが求められる。かかる要求に応えるべく、軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい薄型の電動アクチュエータが開発され、実用化されている。このような薄型の電動アクチュエータの動力源となるブラシレスモータは、電動アクチュエータと同様に、軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい扁平形状である必要がある。軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい扁平なブラシレスモータは、軸方向寸法が径方向寸法よりも大きいモータと区別するため「扁平モータ」と呼ばれることがある。一方、軸方向寸法が径方向寸法よりも大きいブラシレスモータは「筒形モータ」と呼ばれることがある。そこで、本明細書においても、軸方向寸法が径方向寸法よりも小さいブラシレスモータを「扁平モータ」と呼び、軸方向寸法が径方向寸法よりも大きいブラシレスモータを「筒形モータ」と呼んで区別する場合がある。

ここで、扁平モータであるか筒形モータであるかを問わず、凡そ全てのブラシレスモータは、環状のステータとステータの内側又は外側に配置されたロータとを備えており、動作時に熱を発する。ブラシレスモータにおける主な熱源はステータであり、ステータから発せられる熱の一部は、ステータを含むブラシレスモータを収容しているハウジングに直接的に伝達される。また、ステータから発せられる熱の他の一部は、ステータとハウジングとの間に配置されている様々な部材を介してハウジングに間接的に伝達される。このようにしてハウジングに伝達された熱は、ハウジング全体に拡散し、ハウジングの表面から空気中に放出される。

例えば、ロータがステータの内側に配置されているインナーロータ型のブラシレスモータを動力源とする従来の電動アクチュエータでは、ステータから発せられる熱の多くは、ステータの外周面から当該外周面を取り囲んでいる電動アクチュエータハウジングの周壁に伝達される。つまり、インナーロータ型のブラシレスモータを動力源とする従来の電動アクチュエータでは、ステータの外周面及び電動アクチュエータのハウジングの周壁がブラシレスモータから発せられる熱を伝達する熱経路の主要部を構成していた。

特許第５９０７６９９号公報

上記のとおり、電動アクチュエータの動力源であるブラシレスモータから発せられる熱は、電動アクチュエータのハウジングに伝達され、当該ハウジングを介して空気中に放出される。つまり、従来の電動アクチュエータでは、ブラシレスモータ（主にステータ）から発せられる熱を、ハウジングを介して放熱することによってブラシレスモータを冷却していた。

しかし、従来の電動アクチュエータでは、ステータとハウジングとの間に多くの隙間が存在していた。また、ステータとその周囲の部材との間にも多くの隙間が存在し、それら部材とハウジングとの間にも多くの隙間が存在していた。この結果、従来の電動アクチュエータにおけるブラシレスモータの冷却効率は低かった。

さらに、電動アクチュエータの動力源が扁平モータである場合、ステータの外周面及びこれを取り囲むハウジングの周壁の面積は、電動アクチュエータの動力源が筒形モータである場合と比べて小さくなるのが通常である。一方、ステータの外周面及びハウジングの周壁が熱経路の主要部を構成していることは既述のとおりである。この結果、扁平モータを動力源とする従来の電動アクチュエータは、筒形モータを動力源とする従来の電動アクチュエータと比べて、動力源であるブラシレスモータの冷却性能が劣る傾向にあった。

本発明の目的は、動力源であるブラシレスモータに対する優れた冷却性能を備えた電動アクチュエータを実現することである。

本発明の電動アクチュエータは、ステータ及びロータを含むブラシレスモータと、前記ブラシレスモータを収容するハウジングであって、軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい扁平なハウジングと、前記ブラシレスモータと共に前記ハウジングに収容された制御基板と、前記ブラシレスモータから出力される動力の回転速度を減じて出力する減速機構であって、前記ハウジングと一体化された減速機構と、を有する。前記ハウジングは、前記ブラシレスモータを挟んで軸方向に対向するカバー及びブラケットを備える。そして、前記ブラシレスモータと前記ブラケットとの間に、第１面が前記ステータに密着し、前記第１面と反対側の第２面が前記ブラケットに密着するシート状の熱伝導部材が配置されている。

本発明の一態様では、前記熱伝導部材の前記第１面が前記ステータに設けられているコイルに密着する。

本発明の他の一態様では、前記制御基板が前記ブラシレスモータと前記カバーとの間に配置され、前記ブラシレスモータと対向する前記制御基板の一面にホール素子が設けられる。

本発明の他の一態様では、前記カバーは樹脂製又は金属製であり、前記ブラケットは金属製である。

本発明によれば、動力源であるブラシレスモータに対する優れた冷却性能を備えた電動アクチュエータが実現される。

本発明が適用された電動アクチュエータの斜視図である。 図１に示される電動アクチュエータの構造を示す断面図である。 図１に示される電動アクチュエータの構造を示す分解斜視図である。

以下、本発明が適用された電動アクチュエータの一例について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係る電動アクチュエータは、電動歩行補助車の駆動源として当該歩行補助車の車輪に内蔵される。言い換えれば、本実施形態に係る電動アクチュエータは、電動歩行補助車の駆動源として当該歩行補助車に搭載されるインホイールモータである。もっとも、本発明が適用された電動アクチュエータの用途は、電動歩行補助車の駆動源に限定されない。

図１に示されるように、本実施形態に係る電動アクチュエータ１Ａは、樹脂製又は金属製のカバー１０と、金属製のブラケット２０と、を備えている。カバー１０及びブラケット２０は、互いに突き合わされた状態で固定されてハウジング３０を形成している。ハウジング３０は、軸方向寸法（Ｌ）が径方向寸法（Ｄ）よりも小さく、全体として扁平な円盤形の外形を呈する。本実施形態におけるカバー１０は合成樹脂によって形成され、ブラケット２０はアルミニウムによって形成されている。また、本実施形態におけるカバー１０とブラケット２０は、複数本のねじＳＣによって互いに固定されている。

図２，図３に示されるように、カバー１０は、円盤状の底壁１１と、底壁１１の周縁から立ち上がる筒状の側壁１２と、を有する。図１，図３に示されるように、カバー１０の側壁１２には、第１ケーブル固定部１３及び第２ケーブル固定部１４が設けられている。第１ケーブル固定部１３には第１コネクタ付きケーブル１５が固定され、第２ケーブル固定部１４には第２コネクタ付きケーブル１６が固定されている。第１コネクタ付きケーブル１５の一端側は、第１ケーブル固定部１３を通してカバー１０（ハウジング３０）内に引き入れられており、第１コネクタ付きケーブル１５の他端側には、コネクタ１５ａが設けられている。同様に、第２コネクタ付きケーブル１６の一端側は、第２ケーブル固定部１４を通してカバー１０（ハウジング３０）内に引き入れられており、第２コネクタ付きケーブル１６の他端側には、コネクタ１６ａが設けられている。尚、コネクタ１５ａ，１６ａは、バッテリ，操作スイッチ，コントローラ等と電気的に接続されている外部コネクタに接続される。

図２，図３に示されるように、ブラケット２０は、カバー１０に固定されるフランジ部２１，フランジ部２１よりも小径の第１環状壁２２，第１環状壁２２よりも小径の第２環状壁２３，第２環状壁２３よりも小径の第３環状壁２４及び第３環状壁２４よりも小径の第４環状壁２５を含み、全体として段付きの筒形状を有する。

図２，図３に示されるように、電動アクチュエータ１Ａの動力源であるブラシレスモータ４０は、互いに突き合わされたカバー１０とブラケット２０とから構成されるハウジング３０に収容されている。言い換えれば、ハウジング３０を構成しているカバー１０とブラケット２０は、ブラシレスモータ４０を挟んで軸方向に対向している。ハウジング３０に収容されているブラシレスモータ４０は、軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい扁平モータである。尚、ブラシレスモータ４０の軸方向は、ハウジング３０の軸方向と同方向であり、図２の紙面上下方向と一致する。また、ブラシレスモータ４０の径方向は、ハウジング３０の径方向と同方向であり、図２の紙面左右方向と一致する。

また、ハウジング３０内には、ブラシレスモータ４０とともに、当該ブラシレスモータ４０の動作を制御する制御基板５０が収容されている。カバー１０，制御基板５０，ブラシレスモータ４０，ブラケット２０は、軸方向においてこの順で重なっている。言い換えれば、制御基板５０及びブラシレスモータ４０はカバー１０とブラケット２０との間に配置されている。より具体的には、制御基板５０は、カバー１０とブラシレスモータ４０との間に配置されており、ブラシレスモータ４０は、制御基板５０とブラケット２０との間に配置されている。この結果、ブラシレスモータ４０を基準とすると、カバー１０及び制御基板５０はブラシレスモータ４０の軸方向一側に位置しており、ブラケット２０はブラシレスモータ４０の軸方向他側に位置している。以下の説明では、ブラシレスモータ４０を基準としたとき、カバー１０及び制御基板５０が位置している側を軸方向下側（軸方向下方）と定義し、ブラケット２０が位置している側を軸方向上側（軸方向上方）と定義する。つまり、図２の紙面上方が軸方向上方であり、図２の紙面下方が軸方向下方である。

図２に示されるように、ブラシレスモータ４０は、ステータ４１と、ステータ４１の内側に配置されたロータ４２と、を備えるインナーロータ型のブラシレスモータである。ステータ４１は、積層された複数枚の鋼板からなる環状のステータコア４３を含んでおり、このステータコア４３の内側にロータ４２が配置されている。ステータコア４３はブラケット２０に固定されている一方、ロータ４２はブラケット２０に対して回転自在に支持されている。尚、ロータ４２とステータコア４３との間には所定のエアギャップが設けられている。

図２に示されるように、ステータコア４３には、絶縁材料によって形成されたインシュレータ４４が装着されている。インシュレータ４４は、例えば、ＰＢＴ樹脂（ポリブチレンテレフタレート）等の合成樹脂によって形成されている。ステータコア４３のティースを覆っているインシュレータ４４の所定部位には導線が巻回されている。つまり、ステータコア４３上に複数のコイル４５が設けられており、それぞれのコイル４５とステータコア４３との間にはインシュレータ４４が介在している。

図２に示されるように、ロータ４２の外周面には複数の永久磁石４６が設けられている。それら永久磁石４６は、ステータコア４３の内周面と対向する側にＮ極とＳ極が交互に出現するように、ロータ４２の周方向に沿って配列されている。尚、永久磁石４６は、Ｎ極に着磁された部分とＳ極に着磁された部分とが交互に並ぶ環状の永久磁石に置換することもできる。

ロータ４２の中央にはロータ軸４７が設けられている。ロータ軸４７は、ロータ４２に固定されており、ロータ４２と一体的に回転する。ロータ軸４７は、ロータ４２の中心に固定された第１軸部と、第１軸部に対して偏心した第２軸部と、第１軸部と同心の第３軸部と、を含んでいる。第１軸部，第２軸部及び第３軸部は、軸方向下方から上方に向かってこの順で並んでいる。ロータ４２に固定されている第１軸部は、軸受を介してブラケット２０に回転自在に支持されている。よって、ロータ４２が回転すると、ロータ軸４７がブラケット２０に対して回転する。

図２，図３に示されるように、電動アクチュエータ１Ａには減速機構６０が内蔵されている。具体的には、減速機構６０は、ブラケット２０の中央に設けられた凹部に嵌め込まれるともに、ブラケット２０に固定されている。つまり、減速機構６０はハウジング３０と一体化されている。図２に示されるように、減速機構６０は、アウターギヤ６１，インナーギヤ６２，出力回転体６３等から構成されるハイポサイクロイド減速機構であって、ブラシレスモータ４０から出力される動力の回転速度を減じて出力する。本実施形態における減速機構６０の減速比は、１０：１〜４０：１の範囲内のいずれかの比率である。尚、減速機構６０の出力回転体６３は、電動歩行補助車の車輪（ホイール）に連結される。

図２，図３に示されるように、ブラシレスモータ４０と対向する制御基板５０の一面には３つのホール素子５１が設けられている。図２に示されるように、ホール素子５１は、ロータ４２に設けられている永久磁石４６と対向する位置に実装されている。それぞれのホール素子５１は、ロータ４２（永久磁石４６）の回転に伴う磁界変化に応じた信号を出力する。図２に示されるように、制御基板５０の他の一面（ホール素子５１が実装されている面と反対側の面）に、第１コネクタ付きケーブル１５及び第２コネクタ付きケーブル１６が接続されている（図２には第１コネクタ付きケーブル１５のみ図示）。ホール素子５１から出力された信号は、制御基板５０に設けられている配線を介して第１コネクタ付きケーブル１５や第２コネクタ付きケーブル１６に入力され、第１コネクタ付きケーブル１５や第２コネクタ付きケーブル１６を介して不図示のコントローラ等に送られる。

図２，図３に示されるように、ブラシレスモータ４０とブラケット２０との間にシート状の熱伝導部材７０が配置されている。言い換えれば、熱伝導部材７０は、ブラシレスモータ４０とブラケット２０との間の隙間に配置されている。以下の説明では、熱伝導部材７０を「熱伝導シート７０」と呼ぶ場合がある。

図３に示されるように、熱伝導シート７０は、ステータ４１の平面形状と略同一の環状の平面形状を有する。図２に示されるように、熱伝導シート７０の第１面７１はステータ４１に密着し、第１面７１と反対側の第２面７２はブラケット２０に密着している。より具体的には、熱伝導シート７０の第１面７１は、ステータ４１に設けられているコイル４５に密着している。

上記のように、本実施形態に係る電動アクチュエータ１Ａでは、ステータ４１とブラケット２０とが熱伝導シート７０を介して熱的に接続されている。特に、ブラシレスモータ４０の動作時に最も多くの熱を発するコイル４５とブラケット２０とが熱伝導シート７０を介して直接的に熱接続されている。よって、ブラシレスモータ４０から発せられた熱が効率良く金属製のブラケット２０に伝達され、ブラケット２０の表面から空気中に放出される。つまり、本実施形態に係る電動アクチュエータ１Ａは、動力源であるブラシレスモータ４０の冷却性能に優れている。

また、熱伝導シート７０を介してブラシレスモータ４０から発せられた熱が伝達されるブラケット２０は、ブラシレスモータ４０の軸方向上方に配置されている。一方、制御基板５０はブラシレスモータ４０の軸方向下方に配置されている。言い換えれば、ブラケット２０と制御基板５０は、ブラシレスモータ４０の上下に分かれて配置されている。そして、ブラシレスモータ４０から発せられた熱の大部分は、熱伝導シート７０を介してブラシレスモータ４０の上方に位置するブラケット２０に伝達される。この結果、熱に弱いホール素子５１が実装されている制御基板５０の温度上昇が抑制される。

本発明は上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。例えば、電動アクチュエータに内蔵される減速機構はハイポサイクロイド減速機構に限られず、他の方式の減速機構であってもよい。また、減速機構の減速比は適宜変更することができる。

１Ａ 電動アクチュエータ
１０ カバー
１１ 底壁
１２ 側壁
１３ 第１ケーブル固定部
１４ 第２ケーブル固定部
１５ 第１コネクタ付きケーブル
１６ 第２コネクタ付きケーブル
１５ａ，１６ａ コネクタ
２０ ブラケット
２１ フランジ部
２２ 第１環状壁
２３ 第２環状壁
２４ 第３環状壁
２５ 第４環状壁
３０ ハウジング
４０ ブラシレスモータ
４１ ステータ
４２ ロータ
４３ ステータコア
４４ インシュレータ
４５ コイル
４６ 永久磁石
４７ ロータ軸
５０ 制御基板
５１ ホール素子
６０ 減速機構
６１ アウターギヤ
６２ インナーギヤ
６３ 出力回転体
７０ 熱伝導部材（熱伝導シート）
７１ 第１面
７２ 第２面

Claims (4)

1. ステータ及びロータを含むブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータを収容するハウジングであって、軸方向寸法が径方向寸法よりも小さい扁平なハウジングと、
   前記ブラシレスモータと共に前記ハウジングに収容された制御基板と、
   前記ブラシレスモータから出力される動力の回転速度を減じて出力する減速機構であって、前記ハウジングと一体化された減速機構と、を有し、
   前記ハウジングは、前記ブラシレスモータを挟んで軸方向に対向するカバー及びブラケットを備え、
   前記ブラシレスモータと前記ブラケットとの間に、第１面が前記ステータに密着し、前記第１面と反対側の第２面が前記ブラケットに密着するシート状の熱伝導部材が配置されている、
   電動アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記熱伝導部材の前記第１面が前記ステータに設けられているコイルに密着している、
   電動アクチュエータ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記制御基板が前記ブラシレスモータと前記カバーとの間に配置され、
   前記ブラシレスモータと対向する前記制御基板の一面にホール素子が設けられている、
   電動アクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電動アクチュエータにおいて、
   前記カバーは樹脂製又は金属製であり、前記ブラケットは金属製である、
   電動アクチュエータ。

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