JP3675196B2 - モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低速で高トルクを発生し得るモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の電動式パワーステアリングの動力源として直流モータが一般的に用いられている。ここで、該電動式パワーステアリングでは、低速で高いトルクが必要となるため、直流モータに減速機を取り付けて使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、減速機を用いると１５％程度のパワー損出が発生するのに加えて、パワーステアリングのアシスト方向を切り替えるためモータを逆転させた際に、減速機においてバックラッシュが出て、振動がステアリング側へ伝わり易い。更に、当該減速機において、騒音が発生するという課題がある。
【０００４】
係る減速機に伴う課題を解決するため、本発明者は、直流モータの代わりに低速で高トルクを発生し得るステッピングモータを用いることで、減速機を省略するとの着想を持った。しかしながら、ステッピングモータを駆動するためには、モータの回転角度を検出して励磁する必要があるため、回転角度検出用の高価なエンコーダが必要となる。
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、回転角度の検出を行うことなく直流にて駆動し得るモータを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１のモータは、上記目的を達成するため、
ステータと、該ステータの回転磁界の１／Ｎ（Ｎは、ロータ歯数／極対数）の速度で回転するロータとからなり、前記ロータの回転角度に同期させて前記ステータの回転磁界の位置を切り替えるモータであって、
外部から直流の給電を受けると共に、前記ロータの回転速度のＮ倍で回転するブラシと、
該ブラシから受電し、ステータの巻線に給電を行い、前記ロータのＮ倍の速度で回転磁界を発生させるコンミテータと、を備えることを備えることを技術的特徴とする。
【０００７】
また、請求項２のモータは、請求項１において、前記ブラシは、前記ロータ側に枢支されたギヤにより該ロータのＮ倍の速度で前記コンミテータと同心的に回転するブラシホルダに保持されることを技術的特徴とする。
【０００８】
また、請求項３のモータは、請求項１又は２において、前記ロータのシャフトを支持するベアリングが、前記ブラシと対向するように配設されていることを技術的特徴とする。
【０００９】
また、請求項４のモータは、永久磁石を内蔵するステータと、内蔵する巻線の回転磁界の１／Ｎ（Ｎは、ロータ歯数／極対数）の速度で回転するロータとからなり、前記ロータの回転角度に同期させて前記ステータの回転磁界の位置を切り替えるアウターマグネット型モータであって、
外部から直流の給電を受けると共に、前記ロータの回転速度のＮ倍で回転するブラシと、
該ブラシから受電し、ロータの巻線に給電を行い、前記ロータのＮ倍の速度の回転磁界を発生させるコンミテータと、を備えることを技術的特徴とする。
【００１０】
請求項１のモータでは、ブラシが、外部から直流の給電を受け、ロータの回転速度のＮ倍で回転する。そして、コンミテータが、ブラシから受電し、ステータの巻線に給電して、ロータのＮ倍の速度の回転磁界を発生させる。このため、回転角度の検出を行うことなく、該モータに直流を印加し駆動することができる。
【００１１】
請求項２のモータでは、ブラシがロータ側に枢支されたギヤにより該ロータのＮ倍の速度で回転するブラシホルダに保持される。
【００１２】
請求項３のモータでは、ロータのシャフトを支持するベアリングが、ブラシと対向するように配設されているため、高速で回転するブラシを安定してコンミテータに接触させ得る。
【００１３】
請求項４のモータでは、ブラシが、外部から直流の給電を受け、ロータの回転速度のＮ倍で回転する。そして、コンミテータが、ブラシから受電し、ロータの巻線に給電して、ロータのＮ倍の速度の回転磁界を発生させる。このため、回転角度の検出を行うことなく、該モータに直流を印加し駆動することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１実施形態に係るモータ（ステッピングモータ）について図を参照して説明する。図１は第１実施形態のステッピングモータ１０の構成部品を示す斜視図であり、図２は、該ステッピングモータ１０の縦断面図であり、図３は、図２に示すステッピングモータ１０のＡ−Ａ断面図である。
【００１５】
該ステッピングモータ１０は、ステータ３０と、シャフト２２に支持されたロータ２０とからなる。ステータ３０には、巻線３４が収容されており、ロータ２０は、永久磁石２４と歯２６の形成された円筒体２８とからなる。図３に示すように、ステータ３０に１８個の歯３６が配設され、ロータ２０に２１個の歯２６が配設され、巻線３４は６極（図示せず）に構成されている。ここで、ロータ歯数をＲ、ステータ歯数をＳ、極対数（極対数＝磁極／２）をＰとすると、Ｓ＝Ｒ±Ｐの関係を成立させる必要があるため、この関係式を成立させるように歯２６，３６が形成されている。なお、ロータ２０の回転速度は、回転磁界の回転速度のＰ／Ｒ（３／２１＝１／７）倍となる。
【００１６】
ステッピングモータ１０においては、ロータ２０の回転角度に同期させてステータ３０の回転磁界の位置を切り替え、ロータ２０の回転数のＲ／Ｐ倍（本実施形態では７倍）の速度に回転磁界を設定する必要がある。本実施形態のステッピングモータは、ロータ２０の回転角度に同期させ、且つ、ロータ２０の回転数のＲ／Ｐ倍に回転磁界を設定するために、ロータ２０の回転速度のＲ／Ｐ倍にブラシホルダ４６を回転させ、ステータ３０の巻線３４にコンミテータ４２を介して給電して、所望の回転磁界を発生させる。ここで、ブラシ４４Ａ、４４Ｂをロータ２０のＲ／Ｐ倍に回転させるため、ブラシ４４Ａ、４４Ｂを保持するブラシホルダ４６を、ロータ２０の回転をＲ／Ｐ倍にするギヤ列６０により回動させる。
【００１７】
このブラシホルダ４６をロータ２０のＲ／Ｐ倍に回転させるためのギヤ列６０を含むギヤ機構について、図１及び図２を参照して説明する。図２に示すようにロータ２０に直結されたシャフト２２に、フランジ５６が取り付けられている。該フランジ５６には、図１に示すように３つの通孔５６ａが穿設されている。そして、該３つの通孔５６ａには、３つのギヤ列６０（図１中２台のみ示す）の軸６０ａがそれぞれ軸支されている。ここで、該ギヤ列６０の小径ギヤ６０ｃは、ハウジング８０側に固定された内ギヤ５４と噛合している。他方、ギヤ列６０の大径ギヤ６０ｂは、ブラシホルダ４６を保持するボス付きフランジ５０のギヤ５２と噛合している。該ボス付きフランジ５０は、ニードルベアリング５８を介してシャフト２２に対して回転可能に支持されている。ブラシホルダ４６は、コンミテータ４２に対して摺動可能にブラシ４４Ａ、４４Ｂを保持する。コンミテータ４２は、ステータ３０の巻線３４と電気的に接続されている。なお、ギヤ列６０は、本実施形態では３組配設されているが、１つのギヤ列でブラシホルダ４６を回転させることも可能である。
【００１８】
該コンミテータ４２は、断面がクランク状の保持部材８２に保持されている。該保持部材８２の内周には、シャフト２２を支持するベアリング７４が配設され、また、該シャフト２２を支持する他方のベアリング７２は、該ブラシ４４Ａ、４４Ｂと反対側のハウジング８０の端部に配設されている。
【００１９】
外部からの直流給電線８４Ａ、８４Ｂが、該保持部材８２に形成されたスリップリング４０Ａ、４０Ｂに接続されている。該スリップリング４０Ａは、副ブラシ４８Ａを介してブラシ４４Ａに接続されている。他方、スリップリング４０Ｂは、副ブラシ４８Ｂを介してブラシ４４Ｂに接続されている。ここで、ブラシ４４Ａ、４４Ｂは、一対のみを図中に示すが、二対以上備えることができる。
【００２０】
ここで、上述したギヤ列６０の小径ギヤ６０ｃの歯数は、ＫＰ（Ｋ：定数、Ｐ：極対数＝磁極／２（本実施形態では３））に形成されており、また、大径ギヤ６０ｂの歯数は、ＫＲ（Ｒ：ロータ歯数（本実施形態では２１））に形成されている。このため、ロータ２０の回転に伴い、ギヤ列６０は、該回転速度のＲ／Ｐ倍（本実施形態では７倍）にブラシホルダ４６を回転させる。以上の構成における本実施形態のステッピングモータ１０の動作について説明する。ステッピングモータ１０のロータ２０は次のように回転されシャフト２２が回転される。外部から直流電流を、給電線８４Ａ、８４Ｂ→スリップリング４０Ａ、４０Ｂ→副ブラシ４８Ａ、４８Ｂを介してブラシ４４Ａ、４４Ｂに印加する。すると、ロータ２０の転速度のＲ／Ｐ倍でブラシホルダ４６が回転し、コンミテータ４２を介してステータ３０の巻線３４にロータ２０のＲ／Ｐ倍の速度の回転磁界が発生する。そして、図３に示すように、回転磁界により励磁されたステータ３０の歯３６に対向するように、ロータ２０の歯２６にトルクが発生し、回転磁界の回転に伴いロータ２０にトルクが発生し続け、一定方向へ回転する。ここで、該ステッピングモータ１０は、直流給電線８４Ａ、８４Ｂによる直流の給電極性を逆転させることで、ロータ２０の回転方向を逆にすることができる。
【００２１】
本実施形態のステッピングモータ１０では、上述したようにブラシ４４Ａ、４４Ｂが、外部から直流の給電を受け、ギヤ列６０によってロータ２０の回転速度のＲ／Ｐ倍で回転する。そして、コンミテータ４２が、ブラシ４４Ａ、４４Ｂから受電し、ステータ３０の巻線３４に給電を行い、ロータ２０のＲ／Ｐ倍の速度の回転磁界を発生させる。このため、回転角度検出用のエンコーダを用いることなく、該ステッピングモータに直流を印加し駆動することが可能になる。
【００２２】
また、従来技術のように直流モータに減速機を接続する場合には、減速機により１５％程度の損出が発生し、モータからの出力のうち利用可能な出力が低下したのに対して、本実施形態では、減速機を用いないためモータの出力が低下することがない。ここで、ギヤ列６０を介してブラシ４４Ａ、４４Ｂを回転させるが、この回転により発生する損出は僅かである。更に、減速機を用いないため、騒音が発生せず、また、回転方向を切り替えた際のバックラッシュも生じない。
【００２３】
引き続き、第１実施形態の変形例について、図４を参照して説明する。この変形例は、図１〜図３を参照して上述した例とほぼ同様である。但し、この変形例では、ベアリング７４が、ブラシ４４Ａ、４４Ｂのシャフト２２に対する垂線上に対向するように配設されている点で第１実施形態と異なっている。このため、シャフト２２の回転に伴う振動が発生し難く、ロータのＲ／Ｐ倍の高速で回転するブラシ４４Ａ、４４Ｂを安定してコンミテータ４２に接触させることができる。
【００２４】
引き続き、本発明の第２実施形態に係るステッピングモータ１１０について、図５を参照して説明する。上述した第１実施形態では、永久磁石２４を備えるロータ２０がシャフト２２に固定されていたが、この第２実施形態では、ハウジング８０側に固定されるステータ３０側に永久磁石２４を備える、いわゆるアウターマグネット型で構成されている。
【００２５】
ステッピングモータ１１０においては、ロータの回転角度に同期させて回転磁界の位置を切り替え、更に、ロータ２０の回転数のＲ／Ｐ倍（本実施形態では７倍）の速度に回転磁界を設定する必要がある。ロータ２０の回転角度に同期させ、且つ、ロータ２０の回転数のＲ／Ｐ倍に回転磁界を設定するために、ロータ２０の回転速度のＲ／Ｐ倍にブラシ４６を回転させ、ステータ３０の巻線３４にコンミテータ４２を介して給電して、所望の回転磁界を発生させる。
【００２６】
このブラシ４４Ａ、４４Ｂをロータ２０のＲ／Ｐ倍に回転させるためのギヤ列６０を含むギヤ機構について説明する。ロータ２０に直結されたシャフト２２に、フランジ５６が取り付けられている。該フランジ５６には、３つのギヤ列６０（図中１台のみ示す）がそれぞれ軸支されている。ここで、該ギヤ列６０の小径ギヤ６０ｃは、ハウジング８０側に固定された内ギヤ５４と噛合している。他方、ギヤ列６０の大径ギヤ６０ｂは、ブラシホルダ４６を保持するボス付きフランジ５０のギヤ５２と噛合している。該ボス付きフランジ５０は、ニードルベアリング５８を介してシャフト２２に対して回転可能に支持されている。ブラシホルダ４６は、コンミテータ４２に対して摺動可能にブラシ４４Ａ、４４Ｂを保持する。コンミテータ４２は、ロータ２０側に取り付けられ、ロータ２０の巻線９０と電気的に接続されている。
【００２７】
外部からの直流給電線８４Ａ、８４Ｂが、保持部材８２に形成されたスリップリング４０Ａ、４０Ｂに接続されている。該スリップリング４０Ａは、副ブラシ４８Ａを介してブラシ４４Ａに接続されている。他方、スリップリング４０Ｂは、副ブラシ４８Ｂを介してブラシ４４Ｂに接続されている。ここで、ブラシ４４Ａ、４４Ｂは、一対のみを図中に示すが、二対以上備えることができる。
【００２８】
ここで、上述したギヤ列６０の小径ギヤ６０ｃの歯数は、ＫＰ（Ｋ：定数、Ｐ：極対数＝磁極／２）に形成されており、また、大径ギヤ６０ｂの歯数は、ＫＲ（Ｒ：ロータ歯数）に形成されているため、ロータ２０の回転に伴い、ギヤ列６０は、該回転速度のＲ／Ｐ倍にブラシホルダ４６を回転させる。以上の構成における第２実施形態のステッピングモータ１１０の動作について説明する。ステッピングモータ１１０のロータ２０は次のように回転されシャフト２２が回転される。外部から直流電流を、給電線８４Ａ、８４Ｂ→スリップリング４０Ａ、４０Ｂ→副ブラシ４８Ａ、４８Ｂを介してブラシ４４Ａ、４４Ｂに印加する。すると、ロータ２０の転速度のＲ／Ｐ倍でブラシホルダ４６が回転し、コンミテータ４２を介してロータ２０の巻線９０にロータ２０のＲ／Ｐ倍の速度の回転磁界が発生する。そして、第１実施形態とほぼ同様に、回転磁界により励磁されたロータ２０の歯２６が、ステータ３０の歯３６に対向するようにトルクが発生し、回転磁界の回転に伴いロータ２０にトルクが発生し続け、一定方向へ回転する。ここで、該ステッピングモータ１１０は、直流給電線８４Ａ、８４Ｂによる直流の給電極性を逆転させることで、ロータ２０の回転方向を逆にすることができる。
【００２９】
第２実施形態のステッピングモータ１１０では、上述したようにブラシ４４Ａ、４４Ｂが、外部から直流の給電を受け、ロータ２０の回転速度のＲ／Ｐ倍で回転する。そして、コンミテータ４２が、ブラシ４４Ａ、４４Ｂから受電し、ロータ２０の巻線９０に給電を行い、ロータ２０のＲ／Ｐ倍の速度の回転磁界を発生させる。このため、回転角度検出用のエンコーダを用いることなく、該ステッピングモータに直流を印加し駆動することが可能になる。
【００３０】
この第２実施形態においては、ハウジング８０側に固定されるステータ３０側に永久磁石２４が備えるアウターマグネット型に構成されている。このため、ハウジング８０側に冷却用フィンを配設することで、永久磁石２４を効率的に冷却できるので、永久磁石として耐熱性の低い強磁性材料を用いることが可能になる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１のモータでは、ブラシが、外部から直流の給電を受けると共に、ロータの回転速度のＮ倍で回転する。そして、コンミテータが、ブラシから受電し、ステータの巻線に給電を行い、ロータのＮ倍の速度の回転磁界を発生させる。このため、回転角度を検出を行うことなく、該モータに直流を印加し駆動することができる。また、減速機を用いることなく低速で高トルクを発生させ得るため、減速機に伴う損出、騒音、バックラッシュ等の問題が生じない。
【００３２】
請求項２のモータでは、ブラシがロータ側に枢支されたギヤにより該ロータのＮ倍の速度でコンミテータと同心的に回転するブラシホルダに保持されているため、ブラシをコンミテータと同心的に回転できるので、ブラシが回転してもブラシとコンミテータとの接触を確実に行える。
【００３３】
請求項３のモータでは、シャフトを支持するベアリングが、ブラシと対向するように配設されているため、高速で回転するブラシを安定してコンミテータに接触させ得る。
【００３４】
請求項４のモータでは、ブラシが、外部から直流の給電を受けると共に、ロータの回転速度のＮ倍で回転する。そして、コンミテータが、ブラシから受電し、ロータの巻線に給電を行い、ロータのＮ倍の速度の回転磁界を発生させる。このため、回転角度を検出を行うことなく、該モータに直流を印加し駆動することができる。また、外周のステータ側に永久磁石を備え、永久磁石を効率的に冷却できるので、永久磁石として耐熱性の低い強磁性材料を用いることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施態様に係るステッピングモータの構成部品を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係るステッピングモータの縦断面図である。
【図３】図２に示すステッピングモータのＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の第１実施態様の改変例に係るステッピングモータの縦断面図である。
【図５】本発明の第２実施態様に係るステッピングモータの縦断面図である。
【符号の説明】
１０ ステッピングモータ
２０ ロータ
２２ シャフト
２４ 磁石
２６ 歯
３０ ステータ
３４ 巻線
３６ 歯
４０Ａ、４０Ｂ スリップリング
４２ コンミテータ
４４Ａ、４４Ｂ ブラシ
６０ ギヤ列

Claims (4)

1. ステータと、該ステータの回転磁界の１／Ｎ（Ｎは、ロータ歯数／極対数）の速度で回転するロータとからなり、前記ロータの回転角度に同期させて前記ステータの回転磁界の位置を切り替えるモータであって、
   外部から直流の給電を受けると共に、前記ロータの回転速度のＮ倍で回転するブラシと、
   該ブラシから受電し、ステータの巻線に給電を行い、前記ロータのＮ倍の速度で回転磁界を発生させるコンミテータと、を備えることを特徴とするモータ。
2. 前記ブラシは、前記ロータ側に枢支されたギヤにより該ロータのＮ倍の速度で前記コンミテータと同心的に回転するブラシホルダに保持されることを特徴とする請求項１のモータ。
3. 前記ロータのシャフトを支持するベアリングが、前記ブラシと対向するように配設されていることを特徴とする請求項１又は２のモータ。
4. 永久磁石を内蔵するステータと、内蔵する巻線の回転磁界の１／Ｎ（Ｎは、ロータ歯数／極対数）の速度で回転するロータとからなり、前記ロータの回転角度に同期させて前記ステータの回転磁界の位置を切り替えるアウターマグネット型モータであって、
   外部から直流の給電を受けると共に、前記ロータの回転速度のＮ倍で回転するブラシと、
   該ブラシから受電し、ロータの巻線に給電を行い、前記ロータのＮ倍の速度の回転磁界を発生させるコンミテータと、を備えることを特徴とするモータ。

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