JP7068979B2 - 電動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電動アクチュエータに関する。

特許文献１には、自動車等の車両に搭載される電動オイルポンプ装置が開示されている。この電動オイルポンプ装置は、ポンプユニットと、ポンプユニットを駆動する電動モータ（電動アクチュエータ）とを組み合わせた構成を有する。電動モータには、有底筒状のケーシングの内周面に固定されたステータと、径方向隙間を介してステータの内周に配置されたロータとを備えた、いわゆるラジアルギャップ型のモータが採用されている。ロータは、外周部にマグネットを保持したロータコアと、外周にロータコアを装着した回転軸とを備える。

上記の電動オイルポンプ装置において、電動モータの回転軸には、ポンプユニットの構成部品であるインナロータが装着される。すなわち、電動モータの回転軸は、ポンプユニットの回転軸としても機能する。この場合、電動オイルポンプ装置（電動モータ）が駆動されると、回転軸には、ポンプユニット側から軸方向の荷重が入力される。このような軸方向荷重が回転軸に入力されるのに伴って回転軸が軸方向移動すると、電動モータ、ひいては電動オイルポンプ装置の動作精度が不安定化することから、回転軸の軸方向移動を規制する対策を講じることが必要不可欠である。特許文献１では、回転軸を支持する軸受に径方向荷重および軸方向荷重の双方を支持できる転がり軸受を使用しており、この転がり軸受を軸方向に離間した二箇所（ロータマグネットの軸方向両側）に配置することにより、回転軸の軸方向移動が規制される。

また、上記の電動オイルポンプ装置は、電動モータの駆動を制御する回路基板を備える。この回路基板は、ステータを挟んでポンプユニットとは軸方向反対側（ステータとケーシングの底部の間）に配置されており、回路基板の回路パターンには、ステータから延びた導電部品としての端子や、動力電源から延びた端子が電気的に接続されている。

特開２０１７－２０４９５４号公報

以上から、特許文献１の電動アクチュエータは、回路基板や端子などのモータ駆動用電気部品、第１の転がり軸受、ロータコア（ステータコア）、および第２の転がり軸受などを軸方向に並べて配置した構造を有する。この場合、ケーシングには、上記の各種部品を収容できるような大型のものを使用する必要が生じるため、電動アクチュエータの軸方向の大型化や重量化が避けられないものとなる。従って、特許文献１の電動アクチュエータには改善の余地がある。

上記の実情に鑑み、本発明は、軽量・コンパクトで、かつ簡素な構成でありながら、電動モータの駆動時におけるモータ回転軸の軸方向移動を効果的に規制することができて動作安定性に優れる電動アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明者らは上記の目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、対をなすかたちで軸方向に離間した二箇所に設けられる場合が多いモータ回転軸支持用の転がり軸受のうちの一方を省略すること、また、上記転がり軸受の一つを省略することによって減少する軸方向荷重の負荷能力を電動モータの必須構成要素で補完することを着想し、本発明を創案するに至った。

すなわち、上記の目的を達成するために創案された本発明は、軸方向一方側の端部が開口し、軸方向他方側の端部が閉塞した有底筒状のケーシングと、ケーシングに固定され、コイルを保持したステータ、および径方向隙間を介してステータの内周に配置され、マグネットを保持したロータを有する電動モータと、ロータを構成するモータ回転軸に装着され、径方向荷重および軸方向荷重を支持可能な転がり軸受と、を備え、モータ回転軸の一端にモータ回転軸と一体回転する他部材が装着される電動アクチュエータにおいて、ステータの軸方向中央部をマグネットの軸方向中央部よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置すると共に、転がり軸受を、マグネットよりも軸方向一方側のみに配置したことを特徴とする。

上記構成によれば、まず、ステータの軸方向中央部をマグネット（ロータマグネット）の軸方向中央部よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置したことにより、電動モータの駆動時、モータ回転軸には、これを常時軸方向一方側に付勢する磁力が作用する。これにより、電動モータの駆動時にモータ回転軸に軸方向荷重（特にモータ回転軸を軸方向他方側に付勢する荷重）が作用した場合でも、モータ回転軸が軸方向に移動するのを防止することができる。また、モータ回転軸に装着され、径方向荷重および軸方向荷重を支持可能な転がり軸受をマグネットよりも軸方向一方側に配置したことにより、上記磁力によりモータ回転軸に作用する軸方向荷重を支持することができる。

その一方、上記転がり軸受はマグネットよりも軸方向一方側にのみ配置されている。要するに、マグネットよりも軸方向他方側への転がり軸受の配置を省略している。そのため、マグネットの軸方向両側に転がり軸受を配置した従来（特許文献１）の電動アクチュエータに比べ、転がり軸受が装着される回転軸やケーシングの軸方向寸法を短縮することができる。これにより、転がり軸受が省略されたことによる軽量化および簡素化と、転がり軸受が省略されたことに付随して実行可能な回転軸およびケーシングの短寸化による軽量・コンパクト化とを実現することができる。

ケーシングの底部に軸方向一方側に突出した円筒部を設け、この円筒部の内周にモータ回転軸の他端を嵌合するようにしても良い。このようにすれば、上記転がり軸受とは軸方向に離間した位置でもモータ回転軸をラジアル方向に支持することができるので、モータ回転軸の振れ回りを防止する上で有利となる。

モータ回転軸には、上記円筒部の軸方向一方側の端面と軸方向隙間を介して対向する段差面を設けることができる。このようにすれば、モータ回転軸に対してこれを軸方向他方側に付勢する軸方向荷重が作用した場合でも、モータ回転軸とケーシングの底部とが軸方向で突き当たり難くなるので、モータ回転軸および／またはケーシングの底部が変形するのを防止する上で有利となる。

上記軸方向隙間には環状部材を介在させても良い。このようにすれば、モータ回転軸が軸方向他方側に移動するのを規制する上で有利となるので、電動アクチュエータの動作安定性が向上する。このとき、弾性材料で形成された環状部材を用いれば、環状部材がダンパとして機能するので、モータ回転軸および／またはケーシングの底部が変形するのを防止する上で一層有利となる。

ステータの軸方向中央部をマグネット（ロータマグネット）の軸方向中央部よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置する、という本発明の構成は、軸方向寸法が互いに異なるステータおよびマグネットを用いた場合にも採用することができる。

モータ回転軸の一端に装着される他部材としては、例えばポンプ用ロータを挙げることができる。すなわち、本発明に係る電動アクチュエータは、電動ポンプの駆動用アクチュエータとして好ましく利用することができる。

以上のことから、本発明によれば、軽量・コンパクトで、かつ簡素な構成でありながら、電動モータの駆動時におけるモータ回転軸の軸方向移動を効果的に規制することができて動作安定性に優れる電動アクチュエータを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電動アクチュエータを備えた電動オイルポンプ装置の概略縦断面図である。 ステータとマグネットのオフセット量と、ステータとマグネットをオフセットした位置に配置することで生じる付勢力との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電動アクチュエータの縦断面図である。 （ａ）図および（ｂ）図は、本発明の他の実施形態に係る電動アクチュエータの要部を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に、例えば自動車のトランスミッションに作動油を供給するために使用される電動オイルポンプ装置１の概略縦断面図を示す。同図に示す電動オイルポンプ装置１は、本発明の一実施形態に係る電動アクチュエータ９に対応する駆動部２と、駆動部２が駆動されるのに伴って作動油を吸入および吐出するポンプ部３とを備える。電動オイルポンプ装置１の筐体は、軸方向一方側（紙面左側）の端部が開口し、軸方向他方側（紙面右側）の端部が閉塞された有底筒状のモータケーシング１１と、モータケーシング１１の一端に固定されたポンププレート７とで構成される。ポンプ部３には、例えば、トロコイドポンプやベーンポンプを採用することができ、図示例ではトロコイドポンプを採用している。以下、駆動部２（電動アクチュエータ９）について詳細に説明する。

電動オイルポンプ装置１の駆動部２として機能する電動アクチュエータ９は、有底筒状のモータケーシング（ケーシング）１１と、ケーシング１１の内周に収容された電動モータ１０と、転がり軸受２０とを備える。

ケーシング１１は、軸方向の両端が開口した筒体１２と、筒体１２の他端開口を閉塞するカバー１３とを備える。筒体１２は、内周面に電動モータ１０のステータ１５が固定されたステータ固定部１２ａと、内周面に転がり軸受２０の外輪２２が固定された軸受固定部１２ｂと、ポンプカバー７が固定されたポンプカバー固定部１２ｃとを一体に有する。

カバー１３は、底部１３ａと、底部１３ａの外径端部から軸方向一方側に延びた外側円筒部１３ｂと、底部１３の中心付近から軸方向一方側に延びた内側円筒部１３ｃとを一体に有する。

電動モータ１０は、ケーシング１１に固定されたステータ１５と、ステータ１５と径方向隙間を介して対向配置されたロータ１６とを備えたラジアルギャップ型のモータ（例えば、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相を有する三相ブラシレスモータ）で構成される。

ステータ１５は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することで形成された筒状のステータコア１５ａと、ステータコア１５ａに装着された絶縁材料からなるボビン１５ｂと、ボビン１５ｂに巻き回されたコイル（ステータコイル）１５ｃとを有する。このステータ１５とカバー１３の底部１３ｂとの間には、電動モータ１０を駆動するための電気部品（駆動用電気部品）が配置される。図１では、上記の駆動用電気部品として、コイル１５ｃと電気的に接続される端子を有するバスバー１８を示している。なお、バスバー１８は、電動モータ１０に駆動電力を供給するための給電回路を構成するものであり、図示外のリード線等を介して動力電源と電気的に接続される。

ロータ１６は、複数の電磁鋼板を軸方向に積層することで形成された筒状のロータコア１６ａと、ロータコア１６ａに取り付けられた複数のマグネット（ロータマグネット）１６ｂと、外周面にロータコア１６ａを装着したモータ回転軸１４とを備える。本実施形態のロータマグネット１６ｂは、ステータコア１５ａと同一の軸方向寸法を有する。図示は省略するが、ロータ１６としては、モータ回転軸１４にロータコアに相当する部分（マグネット取付部）が一体的に設けられ、このマグネット取付部にロータマグネット１６ｂが直接取り付けられたものを採用しても良い。

モータ回転軸１４は、一端がケーシング１１の外側に突出した小径部１４ａと、外周面にロータコア１６ａが固定された大径部１４ｂと、小径部１４ａと大径部１４ｂの間に設けられ、外径側に突出した突起部１４ｃと、他端に設けられた円筒部１４ｄとを一体に有する。小径部１４ａの一端側外周面には、インナロータ４およびアウタロータ５で構成されるポンプロータ６のインナロータ４が固定されている。円筒部１４ｄの内周に画成される凹部１４ｅには、マグネット３１を保持した保持部材３０が嵌合固定される。上記マグネット３１は、モータ回転軸１４の回転量を検出するための回転検出装置を構成するものであり、カバー１３の底部１３ｂには、図示外の磁気センサ（例えばホールセンサ）がマグネット３１と対向配置される。

このモータ回転軸１４は、小径部１４ａの他端側外周面に転がり軸受２０を装着すると共に、その他端に設けた円筒部１４ｄをカバー１３の内側円筒部１３ｃの内周に嵌合することにより、ケーシング１１に対して回転自在に支持されている。このとき、大径部１４ｂの他端面（段差面）１４ｆは、軸方向隙間１９を介して内側円筒部１３ｃの一端面１３ｃ１と対向する。

上記の支持構造を採用する場合、モータ回転軸１４の回転時には、モータ回転軸１４の円筒部１４ｄがカバー１３の内側円筒部１３ｃに対して滑らかに摺動する必要がある。そのため、円筒部１４ｄの外周面と内側円筒部１３ｃの内周面とのはめあいは、ＪＩＳ Ｂ ０４０１－１：１９９８に規定された「すきまばめ」、または「中間ばめ」とする。また、図示は省略するが、モータ回転軸１４の回転に伴うカバー１３の摩耗を可及的に防止するため、
・内側円筒部１３ｃの内周面を摺動性に優れた樹脂で形成する。
・内側円筒部１３ｃの内周、又は円筒部１４ｄの外周に焼結含油軸受や樹脂軸受などの摺動性に優れたすべり軸受を嵌合する。
・内側円筒部１３ｃ自体を上記のすべり軸受で構成する。
などといった対策を講じても良い。

転がり軸受２０は、径方向荷重および軸方向荷重を支持可能な深溝玉軸受であり、モータ回転軸１４の小径部１４ａの外周面に固定された内輪２１と、ケーシング１１を構成する筒体１２の軸受固定部１２ｂの内周面に固定された外輪２２と、内輪２１と外輪２２の間に配置された複数のボール２３と、ボール２３を保持する図示外の保持器とを備える。この転がり軸受２０は、モータ回転軸１４に保持されたロータマグネット１６ｂよりも軸方向一方側に配置され、ここでは回転軸１４に設けた突起部１４ｃの軸方向一方側に隣接配置されている。

電動アクチュエータ９は、モータ回転軸１４に保持されたロータマグネット１６ｂの軸方向中央部Ｐ２と、ステータ１５（ステータコア１５ａ）の軸方向中央部Ｐ１とを軸方向にずらして配置したこと、より具体的には、ステータコア１５ａの軸方向中央部Ｐ１をロータマグネット１６ｂの軸方向中央部Ｐ２よりも軸方向一方側に（寸法ｘ）オフセットした位置に配置したことに大きな特徴がある。

本実施形態では、モータ回転軸１４に、一端がステータコア１５ａの一端と同一平面上に位置するように突起部１４ｃを設け、この突起部１４ｃとモータ回転軸１４の大径部１４ｂの外周面に嵌合した止め輪１７とでロータマグネット１６ｂ（ステータコア１５ａの軸方向寸法と同一の軸方向寸法を有するロータマグネット１６ｂ）を挟持することにより、軸方向中央部Ｐ１を軸方向中央部Ｐ２よりも寸法ｘだけ軸方向一方側にオフセットした位置に配置している。従って、突起部１４ｃの軸方向寸法は、上記のオフセット量ｘと同寸である。

上記のように、ステータ１５（ステータコア１５ａ）の軸方向中央部Ｐ１をロータマグネット１６ｂの軸方向中央部Ｐ２よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置したことにより、電動モータ１０が駆動されると、モータ回転軸１４には、これを常時軸方向一方側に付勢する磁力Ｆが作用する。電動モータ１０の駆動時には、モータ回転軸１４に固定した他部材としてのインナロータ４等が回転してポンプ部３から作動油が圧送されるため、モータ回転軸１４には、これを軸方向他方側に付勢する軸方向荷重（以下、「逆入力荷重Ｆ’」という）が作用する。このような逆入力荷重Ｆ’が作用した場合でも、上記磁力Ｆにより、モータ回転軸１４が軸方向（軸方向他方側）に移動するのを防止することができる。また、モータ回転軸１４に装着され、径方向荷重および軸方向荷重を支持可能な転がり軸受２０をロータマグネット１６ｂよりも軸方向一方側に配置したことにより、上記磁力Ｆによりモータ回転軸１４に作用する軸方向荷重を支持することができる。

なお、逆入力荷重Ｆ’がモータ回転軸１４に作用する磁力Ｆよりも大きい場合には、モータ回転軸１４が軸方向他方側に移動するのを効果的に防止することができない。そのため、オフセット量ｘは、逆入力荷重Ｆ’よりも大きな磁力Ｆを得ることができるように設定する必要がある。従って、逆入力荷重Ｆ’を打ち消すのに必要なオフセット量がｘ’であると仮定した場合、オフセット量ｘはｘ’よりも大きく設定する。また、本発明者らが検証したところ、Ｐ１とＰ２とを軸方向にずらして配置することによってモータ回転軸１４に作用する軸方向の磁力（付勢力）Ｆは、Ｐ１とＰ２のオフセット量ｘが所定値に到達するまではオフセット量ｘの値に概ね比例して大きくなるものの、オフセット量ｘが所定値を超えると徐々に小さくなることが判明した。そのため、オフセット量ｘは、最大の磁力（付勢力）Ｆ₁を作用させることができるオフセット量ｘ₁以下に設定する（以上、図２を参照）。

また、転がり軸受２０はロータマグネット１６ｂよりも軸方向一方側にのみ配置されている。要するに、ロータマグネット１６ｂよりも軸方向他方側への転がり軸受の配置を省略している。そのため、ロータマグネットの軸方向両側に転がり軸受を配置した従来（特許文献１）の電動アクチュエータに比べ、転がり軸受が装着されるモータ回転軸１４やケーシング１１（筒体１２）の軸方向寸法を短縮することができる。これにより、転がり軸受が省略されたことによる軽量化および簡素化と、転がり軸受が省略されたことに付随して実行可能なモータ回転軸１４およびケーシング１１の短寸化による軽量・コンパクト化とを実現することができる。なお、ロータマグネット１６ｂよりも軸方向他方側への転がり軸受の配置を省略した場合でも、ケーシング１１の底部１３ａとステータ１５との間に確保すべき電動モータ１０の駆動用電気部品の配置スペースに影響はない。

従って、本発明に係る電動アクチュエータ９は、軽量・コンパクトで、かつ簡素な構成でありながら、電動モータ１０の駆動時におけるモータ回転軸１４の軸方向移動を効果的に規制することができて動作安定性に優れる、という特長を有する。

特に、本実施形態では、ケーシング１１の底部（カバー１３）に設けた内側円筒部１３ｃの内周にモータ回転軸１４の他端を嵌合し、転がり軸受２０とは軸方向に離間した位置でモータ回転軸１４をラジアル方向に支持するようにした。これにより、モータ回転軸１４の振れ回りを効果的に防止することができる。また、電動アクチュエータ９の必須構成部材であるケーシング１１（のカバー１３）でモータ回転軸１４の他端を支持しているので、電動アクチュエータ９の大型化や重量化を回避することができる。

また、モータ回転軸１４には、カバー１３の内側円筒部１３ｃの一端面１３ｃ１と軸方向隙間１９を介して対向する段差面１４ｆを設けた。このようにすれば、例えば、モータ回転軸１４に対して上記磁力Ｆを上回るような逆入力荷重Ｆ’が作用した場合でも、モータ回転軸１４とケーシング１１とが軸方向で突き当たり難くなるので、モータ回転軸１４および／またはケーシング１１が変形するのを防止する上で有利となる。

以上、本発明の一実施形態に係る電動アクチュエータ１について説明したが、電動アクチュエータ１には、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜の変更を施すことができる。

例えば、図３に示すように、モータ回転軸１４とカバー１３との間に形成される軸方向隙間１９に、環状部材２４を介在させることもできる。このようにすれば、モータ回転軸１４に対して逆入力荷重Ｆ’が作用した場合でも、モータ回転軸１４が軸方向他方側に移動するのを効果的に規制することができるので、電動アクチュエータ９の動作安定性が向上する。このとき、環状部材２４を弾性材料で形成しておけば、環状部材２４がダンパとして機能するので、モータ回転軸２４および／またはカバー１３が変形するのを防止する上で一層有利となる。

また、以上で説明した実施形態では、転がり軸受２０に深溝玉軸受を使用したが、転がり軸受２０は、径方向荷重および軸方向荷重を支持することができるその他の転がり軸受、例えばアンギュラ玉軸受、自動調心玉軸受、円すいころ軸受に置き換えても良い。

また、以上で説明した実施形態では、ステータコア１５ａの軸方向寸法とロータマグネット１６ｂの軸方向寸法を同一としたが、図４（ａ）（ｂ）に模式的に示すように、両者１５ａ，１６ｂの軸方向寸法を互いに異ならせた場合でも、ステータコア１５ａの軸方向中央部Ｐ１をロータマグネット１６ｂの軸方向中央部Ｐ２よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置することができる。

なお、図４（ａ）は、ロータマグネット１６ｂの軸方向寸法よりも大きい軸方向寸法を有するステータコア１５ａを用いた場合の一例であり、ステータコア１５ａとロータマグネット１６ｂの軸方向他方側の端部を同一平面上に配置し、ステータコア１５ａの軸方向一方側の端部をロータマグネット１６ｂの軸方向一方側の端部よりも軸方向一方側に位置させることで、Ｐ１をＰ２よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置している。また、図４（ｂ）は、ステータコア１５ａの軸方向寸法よりも大きい軸方向寸法を有するロータマグネット１６ｂを用いた場合の一例であり、ステータコア１５ａとロータマグネット１６ｂの軸方向一方側の端部を同一平面上に配置し、ロータマグネット１６ｂの軸方向他方側の端部をステータコア１５ａの軸方向他方側の端部よりも軸方向他方側に位置させることで、Ｐ１をＰ２よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置している。

また、以上で説明した実施形態では、電動オイルポンプ装置１の駆動部２に本発明に係る電動アクチュエータ９を用いたが、本発明に係る電動アクチュエータ９は、電動エアポンプ装置の駆動部などとして用いることも可能である。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

１ 電動オイルポンプ装置
２ 駆動部
３ ポンプ部
４ インナロータ（他部材）
９ 電動アクチュエータ
１０ 電動モータ
１１ モータケーシング
１３ カバー
１３ｂ 底部
１３ｃ 内側円筒部（円筒部）
１４ モータ回転軸
１４ｆ 段差面
１５ ステータ
１５ａ ステータコア
１５ｃ ステータコイル
１６ ロータ
１６ａ ロータコア
１６ｂ マグネット（ロータマグネット）
１８ バスバー（駆動用電気部品）
１９ 軸方向隙間
２０ 転がり軸受
２４ 環状部材
Ｆ 磁力（付勢力）
Ｐ１ ステータの軸方向中央部
Ｐ２ マグネットの軸方向中央部
ｘ オフセット量

Claims (4)

1. 軸方向一方側の端部が開口し、軸方向他方側の端部が閉塞した有底筒状のケーシングと、
   前記ケーシングに固定されたステータ、および径方向隙間を介して前記ステータの内周に配置され、マグネットを保持したロータを有する電動モータと、
   前記ロータを構成するモータ回転軸に装着され、径方向荷重および軸方向荷重を支持可能な転がり軸受と、を備え、
   前記モータ回転軸の一端に前記モータ回転軸と一体回転する他部材が装着される電動アクチュエータにおいて、
   前記ステータの軸方向中央部を前記マグネットの軸方向中央部よりも軸方向一方側にオフセットした位置に配置すると共に、前記転がり軸受を、前記マグネットよりも軸方向一方側のみに配置し、
   前記ケーシングの底部に、軸方向一方側に突出し、前記モータ回転軸の他端が嵌合した円筒部を設けると共に、前記モータ回転軸に、前記円筒部の軸方向一方側の端面と軸方向隙間を介して対向する段差面を設けたことを特徴とする電動アクチュエータ。
2. 前記軸方向隙間に環状部材を介在させた請求項１に記載の電動アクチュエータ。
3. 前記ステータを構成するステータコアの軸方向寸法と、前記マグネットの軸方向寸法とを互いに異ならせた請求項１又は２に記載の電動アクチュエータ。
4. 前記他部材がポンプ用ロータである請求項１～３の何れか一項に記載の電動アクチュエータ。

Images