JP3579272B2 - トロイダルコア型アクチュエータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トロイダルコア型アクチュエータの構造、特に、巻線および取付け作業が容易でコストダウン可能なトロイダルコア型アクチュエータのステータ構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トロイダルコア型アクチュエータはその回転軸が反復回転動作するアクチュエータであり、反復回転動作は１８０°（±９０°）以下であるが、その動作角度範囲内では一定トルクを発生することが望まれる。つまり、同一電流では発生トルクが角度依存性を持たない特性が必要である。このためには中空円筒状コアの円周に巻線を巻回してコイルとしたものをステータとし、中空円筒状コア内に永久磁石からなるロータを微小エアギャップを介して回転自在に配設して構成したいわゆるトロイダルコア型アクチュエータ構成とすることが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、トロイダルコア型アクチュエータは、中空円筒状コアを芯にしてその周上にコイルを巻くので特殊な巻線機が必要であることは当然であるが、それ故に巻線作業が煩雑になるのみならず、巻線の巻き崩れ、巻線作業後の端末処理、巻線後のステータとロータとの位置決め並びにその固定方法等が問題となり、作業性がよいステータ部を安定して構成することができないという欠点があった。
【０００４】
さらには、中空円筒状のコアは周方向でのパーミアンス（磁気抵抗の逆数）を一定にする必要があることから、高い寸法精度が要求されている。このため、ブロック材から機械加工して削り出したり、表面を絶縁処理した電磁鋼板を円盤状にプレスで打ち抜き、軸方向に積層してステータを構成している。機械加工では寸法精度は出るが加工コスト上がるという問題があるし、積層方式では高価な金型が必要となり、且つカシメ精度等の問題がある。そこで安価に構成できるステータ構造が求められていた。
【０００５】
本発明は、上記の点に鑑み、巻線密度を上げ、巻線作業後の端末処理、巻線後のステータの位置決め並びにその固定方法を改善し、作業性がよいステータ部を有するトロイダルコア型アクチュエータ提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、軟磁性材からなる中空円筒状のコアに巻線を施してコイルとしたステータと、円周方向にＮ極とＳ極が交互にｍ個配置された永久磁石で構成され、前記ステータのコア内に微小ギャップを介して回転自在に配置されたロータとを有するトロイダルコア型アクチュエータにおいて、前記中空円筒状コアの周面上に非磁性材料から成るｍ個の相分離材を３６０°／ｍで離間配置し、前記相分離材は、前記中空円筒状コアの外周面側および内周面側で夫々前記コアとは離れる方向に突出した土手部を一体形状で構成し、前記相分離材で分割された巻線領域に巻線を巻回して成ることを特徴とする。
【０００７】
相分離材は絶縁性樹脂で構成するするのが好ましい。
【０００８】
中空円筒状コアに設けられたｍ個の相分離材の最内径部の寸法は等しく、コアに巻回されたコイルの最内径寸法より小さく設定するのが好ましい。
【０００９】
また、中空円筒状コアに設けられたｍ個の相分離材の最外径部の寸法は等しく、コアに巻回されたコイルの最外径寸法より大きく設定するのが好ましい。
【００１０】
また、相分離材にはコアと巻線間を電気的に絶縁する絶縁部を一体的に設けるのが好ましい。
【００１１】
また、相分離材の少なくとも１つには、１つ以上のコイルからげ用の端子を設けるのが好ましい。
【００１２】
また、コアは同一幅の軟磁性薄帯をロール状に丸めて構成するのが好ましい。
【００１３】
また、ロール状磁性薄帯は、巻き始めの最内周端から順次連続的に幅広となるテーパ部分を有するのが好ましい。
【００１４】
また、前記テーパ部はコア最内周部をほぼ１周とするのが好ましい。
【００１５】
また、中空円筒状コアはパイプ状軟磁性材を芯とし、その上に同一幅の磁性薄帯をロール状に巻回して構成するのが好ましい。
また、相分離材の中空円筒状コアの半径方向での形状は、中心角を有する扇状であることが好ましい。
また、ステータを樹脂で一体的にモールドして成るステータ樹脂部を構成することが好ましい。
さらにまた、ステータ樹脂部にロータの回転軸の回転止め用ストッパ部を一体的に形成することが好ましい。
【００１６】
先ず、トロイダルコア型アクチュエータの原理について図１を参照して説明する。
【００１７】
図１（ａ）は原理を説明するためのアクチュエータの正面図を示し、図１（ｂ）は同アクチュエータの側面部分断面図を示す。図示した例は、ロータ磁石の磁極数を２とし、相分離材の数を２としたアクチュエータで、コイルは１層の場合である。
【００１８】
アクチュエータの構成は次のとおりである。ロータ部は磁石１と回転軸２から構成されており、回転軸２は軸受（図示せず）で回転自在に固定されている。ステータ部はコイルの巻き芯となっているコア３に電気的絶縁処理を施した後、コイル４がその周囲に本図では１層巻回されて成り、コイル４は上部コイル（Ａ相コイル）４Ａと下部のコイル（Ｂ相コイル）４Ｂとから成り、図ではこれらのコイル４Ａと４Ｂは直列に接続されている。
【００１９】
動作原理は次のとおりである。
【００２０】
いま仮に、図１（ａ）のコイル４に矢印の向きに直流電流を流せば、Ａ相コイル４Ａは巻き始め側（図の左端）がＳ極に、巻き終わり側（図の右端）がＮ極に励磁される。一方、Ｂ相コイル４Ｂも巻き始め側（図の右端）がＮ極、巻き終わり側（図の左端）がＳ極に励磁される。その結果、ロータ磁石１のＳ極はコイルの右端（Ｎ極）に、逆にロータ磁石１のＮ極はコイルの左端（Ｓ極）に吸引され、矢印（ＣＣＷ）の向きのトルクが発生する。もちろん、コイル４Ａ、４Ｂに流す電流の向きを逆にすれば、コイルの作る磁極の向きは逆になり、結果としてロータ磁石１はＣＷの向きのトルクを発生する。なお、図１（ａ）に示すように、ロータ磁石１の磁極が垂直の場合には発生トルクは最大となり、磁極が水平の場合（図１（ａ）の状態から左右に９０°回転した状態）にはトルク零の状態である。 また、図１（ａ）のようにコイルを励磁したとき、コイルのＮ極の向きをＸ軸とし、且つ、そのＸ軸とロータ磁石のＮ極の向きとが成す角度をθ°（図１（ａ）の状態はθ＝９０°）とすれば、θが０°から１８０°の範囲はＣＣＷ方向のトルクが発生し、θが１８０°から３６０°の範囲ではＣＷ方向のトルクを発生する。なお、θが０°と１８０°ではトルクは零であることは前述したとおりである。
【００２１】
図２はアクチュエータの角度ートルク特性の一例を示す。図示した例はロータの磁極数ｍが２のアクチュエータの特性であり、グラフは電流が２Ａ、４Ａ、６Ａの条件のものである。図より、トルクのフラット範囲はほぼ９０°度であり、動作開閉角９０°が可能であることがわかる。また、入力電流値にほぼ正比例してトルクが増大していることもわかる。
【００２２】
次に、本発明において重要な要素である相分離材について図３を用いて説明する。
【００２３】
図３は、図１で説明した２個の相分離材を有するアクチュエータの正面図を示しており、相分離材１０ａ、１０ｂはコイルの巻き始め部と巻き終わり部の２箇所（ロータ磁石の磁極数と同一数である）に本実施例では１８０°の位置関係で配置される。この相分離材１０ａ、１０ｂはコイル巻き始め／巻き終わ時の土手の役目をする効果があり、コイルの巻き崩れを防止すると同時に、一定の高い巻線密度で巻線できる特徴がある。実際には、特性を向上させるために巻線を複数層（図４で詳述する）施さなければならないために特にその効果が著しい。相分離材１０ａ、１０ｂの中心角α度は小さければ小さいほど、巻線に割り当てるスペースが広く取れ、多巻線化が可能となり、特性上有利であるが、本実施の形態ではαは１０°とした。α＝１０°程度であれば巻線スペースが十分確保でき且つ巻き崩れ防止にも役立つ。
【００２４】
なお、この相分離材１０ａ、１０ｂの中心角αが内径部と外径部で異なる場合があるが、本発明ではその場合、実質的に土手をなしている部分の最大角度とする。相分離材１０ａ、１０ｂの数は先にも述べたように、ロータ磁石の磁極数ｍと同数とする必要がある。その理由は、本アクチュエータではロータ磁石の磁極数ｍと同じ数の相数のステータコイルが必要であり、これらの数のコイルをコア３に均等に配置するには、同じ数の相分離材が必要となるからである。相分離材１０ａ、１０ｂが非磁性でなければならないのは、相分離材が磁性だとコアの周方向の磁気抵抗が均一ではなくなり、結果として、トルクフラット範囲が広く取れなくなる欠点があるからである。１００は相分離材１０ａ、１０ｂをコア３に固定するための非磁性のネジを示しているが、相分離材１０ａ，１０ｂとコア３の固定はネジ止に限るものではない。
【００２５】
次に、図３の実施の形態におけるステータ部を樹脂で一体モールドする第２の実施の形態について図４に示した。図４の如く巻線後のステータ部を相分離材１０の内径部Ｒ１および外径部Ｒ２を基準としてモールド金型を作り、樹脂１０００で一体的にモールドして仕上げれば、ステータ内径／外径の必要寸法が正確に確保できる。特に、巻き上がり寸法が一定しないコイル４の最内径Ｒｃ１、最外径Ｒｃ２を相分離材１０の最内径Ｒ１、最外径Ｒ２を用いて、次の数１で定められるように設定すればよい。
【００２６】
【数１】
Ｒ１＝Ｒｍ１≦Ｒｃ１ かつ Ｒ２＝Ｒｍ２≧Ｒｃ２
なお、Ｒｍ１は樹脂モールド後の内径寸法、Ｒｍ２は外形寸法を示す。図４ではＲ１＝Ｒｍ１且つＲ２＝Ｒｍ２の例を示しているが、Ｒｍ１≦Ｒｃ１ が確保されればコア内周部のコイルは樹脂で完全に封止されるし、また、Ｒｍ２≧Ｒｃ２が確保されればコア外周のコイルは樹脂で完全封止されるので、コイル巻き上がり寸法が安定しないステータに対して組立／組付け時にも基準寸法を与えることができる。また、樹脂モールド後のステータ樹脂部（相分離材１０部を含む）に位置出し用ダボや取り付けフランジ等を一体的に設ければなお手離れがよくなる。さらには、回転軸２の回転止め用ストッパ部を一体的に形成してもよい。
【００２７】
図５は本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部の第３の実施の形態を示す。
【００２８】
本実施の形態は相分離材とコイル絶縁材とを一体化したいわゆる一体型相分離材の例であり、このように一体化した相分離材２０Ｕ、２０Ｌをコア３に対して上下から挟み込んだ構成のステータ構造とすれば、コア３の絶縁処理を行わずに巻線を巻くことができる。一体型相分離材２０Ｕ、２０Ｌの形状は本実施の形態では同一としたが、端子部の配置によっては異なる形状でもよい。
【００２９】
図６は図５に示したトロイダルコア型アクチュエータの一体型相分離材のうちの上側の相分離材２ＯＵを示している。相分離材に相当する部分は１０ａ、１０ｂであり、相分離材が２個の例である。図３と同様に、相分離材１０ａ、１０ｂは同一形状であり、その中心角αは１０°である。相分離材１０ａと１０ｂの間の領域２０ａ、２０ｂに巻線が施される。この領域２０ａ、２０ｂはできるだけ薄肉（肉厚は０．５ｍｍ以下が好ましい）にして巻線抵抗の増大を防ぐことが好ましい。
【００３０】
図７および図８は一体型相分離材の他の例を示しており、相分離材部にコイル絡げ用端子３０ａおよび３０ｂを植設した例を示す。このうち図７は相分離材１０ａ、１０ｂのそれぞれにコイル絡げ用端子３０ａおよび３０ｂを一本づつ設けた場合を示しているが、図８のように片方の相分離材部１０ｂに２本のコイル絡げ用端子３０ａ、３０ｂを設けて、端子部を片側にまとめても配置してもよい。いずれにしてもコイル巻き始め端と巻き終わり端をこのコイル絡げ用端子３０ａ、３０ｂに絡げることにより巻き解れがなくなり、手離れがよいステータを製造することができる。
【００３１】
さらに図９、図１０、図１１は本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのコア３の製作方法についての第４ 、第５、第６の実施の形態を示す。
【００３２】
図５ではコア３は機械加工で円筒型に削り出している場合を示しているが、この製作方法ではコアの精度は確保されるが、コストアップが避けられない。そこで図９および図１０の製作方法では表面を絶縁した軟磁性薄帯をロール状にしてコアを形成しており、図１１の製作方法はパイプ材５０を巻き芯として、その上に表面を絶縁した軟磁性薄帯５１をロール状に巻回してコアを形成している。
【００３３】
図９（ａ）は表面を絶縁した軟磁性体の均一幅の薄帯４０を示したものであり、図９（ｂ）はその薄帯４０をロールし始めの状態を示し、図９（ｃ）はロール終了後のコア３の完成体を示す。軟磁性薄帯４０は、一般的には０．３５ｍｍまたは０．５ｍｍ厚の電磁鋼板を用いる。なお、薄帯が磁気異方性を有する場合には磁化容易軸を薄帯の長手方向にするのが磁気特性上好ましい。
【００３４】
図１０（ａ）および（ｃ）は図９と同様に薄帯を用いたコアを示しているが、図９の実施の形態と異なる点は、図１０（ａ）は薄帯先端（巻き始め）にテーパが付けてある点であり、図１０（ｃ）は薄帯５０の先端部と末端部の両方に同一形状のナイフ状のテーパが付けてある点である。なお、図１０（ｂ）は図１０（ａ）または１０（ｃ）の薄帯５０を巻回して製作したコア３の完成体を示している。
【００３５】
このようにテーパを付けることにより、図９では周方向のパーミアンスが巻き始めの位置で大きく変化し、ここでのコギングトルク／トルクリップルの発生は避けられないが、図１０（ａ）および（ｃ）に示すように、薄帯５０の巻き始め先端部や巻き終わり終端部にテーパを付ければ周方向のパーミアンス変化をなだらかにすることができ、その結果として、コギングトルク／トルクリップルの発生を抑えることができる。薄帯５０のテーパ部の長さＬは、コギングトルク／トルクリップルを抑えるという点ではできるだけ長い方がよいが、長ければ長いほど等価エアギャップ長が大きくなり、トルク特性が低下する欠点がある。
【００３６】
図１０（ａ）および（ｃ）ではこのテーパ部の長さＬはπｄ（ｄは図１０（ｂ）に示すようにコア完成体の内径）としており、ロール状に巻いたコア３の最内周だけがテーパ部となるように設定している。このことによりコギングトルク／トルクリップルの発生とトルク特性の低下を最小限に抑えることができる。特に、図１０（ｃ）の例では薄帯５０の巻き始め端と巻き終わり端に同形状のナイフ状テーパ部が形成されているので、材料取りに無駄が出ない利点もある。
【００３７】
図１１はコア３のさらに別の製作方法を示した第７の実施の形態を示しており、この実施の形態はパイプ材６０を芯としてこれに表面を絶縁した軟磁性薄帯５１を巻回してコアを製作するものである。図１１（ａ）は巻き始めの状態を示し、図１１（ｂ）は巻回後のコア完成体を示している。パイプ材６０の肉厚は巻き芯としての機能と薄帯巻き始め部のパーミアンス（磁気抵抗の逆数）の変化を小さくするためにも厚肉が好ましいが、実験の結果薄帯５１の板厚の３倍から４倍が好ましいことがわかった。本実施の形態では、薄帯５１の厚さ０．３ｔに対してパイプ６０肉厚を１．０ｔとした場合のコギングトルクは１．３５Ｎｃｍであるが、切削コアを用いた場合のコギングトルクは１．１５Ｎｃｍ（およそ１７％アップ）なので実質的に問題はないレベルであった。
【００３８】
上記実施の形態においては、ロータ磁石の磁極数ｍが２でコイルの巻き層数が１のアクチュエータについて説明したが、図１２はロータ磁石の磁極数ｍが４でコイルの層数３のアクチュエータについての第８の実施の形態を示す。図１と同一の構成部品には同一の符号を付し、説明に直接関係ない部品の説明は省略した。
【００３９】
ロータ磁極数ｍが４であることから相分離材１０は４つである。またトルク特性を向上させるためにコイル巻き層数を３層としていることから、コイル巻き高が高くなり、巻き崩れの可能性が大きくなるおそれがある。しかし、本発明の相分離材１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの長さを図のように適切に設定すれば、これがコイル端部に対する土手の役目をしてコイルの巻き崩れを未然に防ぐことができ、多層の場合においても一定密度で安定してコイルを巻回することができる。なお、７０はロータコアで、ロータ磁石の磁気回路の一部を構成している軟磁性材で構成されたリングである。
【００４０】
もちろん図１２の実施例においても、相分離材を寸法基準としたステータ部の樹脂モールドが可能であり、図７、図８の実施の形態と同じように相分離材にコイル絡げ用端子を設けてもよい。また、磁性薄帯をロール状にしたコアで構成してもよい。また、本発明ではコイル層数を１層とか３層に限る理由は全くない。
【発明の効果】
本発明によれば、トロイダルコア型アクチュエータにおいて、相分離材を用いてコイルを分離することにより巻線が巻き易く且つコイル占積率を上げることができる。また、巻線作業後の端末処理及び巻線後のステータのロータに対する位置決め並びにその固定方法が改善され、手離れよいステータ部が構成できる。特にアクチュエータとして重要な寸法となるステータの内径寸法と外形寸法をモールドにより精度よく一定値に設定することができる。さらにまた、薄帯をロールしてコアを成形することにより安価な円筒状コアが提供できる。その結果安価で鉄損の少ないトロイダルコア型アクチュエータが構成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダルコア型アクチュエータの構成を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面部分断面図である。
【図２】トロイダルコア型アクチュエータの角度―トルク特性を示す。
【図３】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータの第１の実施の形態の正面図を示す。
【図４】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータの第２の実施の形態の正面図を示す。
【図５】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部の実施の形態の分解斜視図を示す。
【図６】図５に示したステータ部に用いられる相分離材の斜視図を示す。
【図７】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部の相分離材の一例の斜視図である。
【図８】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部の相分離材の他の例の斜視図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部のコアの製作方法の一例を順に示す。
【図１０】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部のコアの製作方法の他の例を順に示す。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は本発明によるトロイダルコア型アクチュエータのステータ部のコアの製作方法のさらに他の例を順に示す。
【図１２】本発明によるトロイダルコア型アクチュエータの他の実施の形態の正面図を示す。
【符号の説明】
１ 磁石
２ 回転軸
３ コア
４ コイル、４ａ Ａ相コイル、４ｂ Ｂ相コイル
１０、１０ａ、１０ｂ 相分離材
２０ａ、２０ｂ巻線領域
３０ａ、３０ｂ コイル端からげ用端子
４０ 軟磁性薄帯
５０、５１ 薄帯
６０ パイプ

Claims (13)

1. 軟磁性材からなる中空円筒状のコアに巻線を施したステータと、円周方向にＮ極とＳ極が交互にｍ個配置された永久磁石で構成され、前記ステータのコア内に微小ギャップを介して回転自在に配置されたロータとを有するトロイダルコア型アクチュエータにおいて、
   前記中空円筒状コアの周面上に非磁性材料から成るｍ個の相分離材を３６０°／ｍで離間配置し、前記相分離材は、前記中空円筒状コアの外周面側および内周面側で夫々前記コアとは離れる方向に突出した土手部を一体形状で構成し、前記相分離材で分割された巻線領域に巻線を巻回して成ることを特徴とするトロイダルコア型アクチュエータ。
2. 前記相分離材が絶縁性樹脂から成ることを特徴とする請求項１に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
3. 前記中空円筒状コアに設けられたｍ個の相分離材の最内周部の寸法が等しく、前記コアに巻回されたコイルの最内周寸法より小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
4. 中空円筒状コアに設けられたｍ個の相分離材の最外径部の寸法は等しく、前記コアに巻回されたコイルの最外径寸法より大きく設定されていることを特徴とする請求項３に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
5. 前記相分離材に、コアと巻線との間を電気的に絶縁するための絶縁部が一体的に設けられたことを特徴とする請求項２に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
6. 前記相分離材の少なくとも１つに、１つ以上のコイルからげ用端子が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
7. 前記コアは同一幅の軟磁性薄帯をロール状に丸めて構成したことを特徴とする請求項１に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
8. 前記ロール状軟磁性薄帯は、巻き始めの最内周端から順次連続的に幅広となるテーパ部分を有することを特徴とする請求項７に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
9. 前記テーパ部はコア最内周部のほぼ１周であることを特徴とする請求項８に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
10. 前記中空円筒状コアは、パイプ状軟磁性材を芯とし、該芯の上に同一幅の磁性薄帯をロール状に巻回して構成したことを特徴とする請求項９に記載のトロイダルコア型アクチュエータ。
11. 前記相分離材の前記中空円筒状コアの半径方向での形状は、中心角を有する扇状であることを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型アクチュエータ。
12. 前記ステータを樹脂で一体的にモールドして成るステータ樹脂部を構成することを特徴とする請求項１に記載のトロイダル型アクチュエータ。
13. 前記ステータ樹脂部に前記ロータの回転軸の回転止め用ストッパ部を一体的に形成していることを特徴とする請求項１２に記載のトロイダル型アクチュエータ。

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