WO2022230540A1 - 直流モータ - Google Patents

Abstract

直流モータ（１０）は、　ティース（２２ｂ）の周方向の中心位置を通る第１仮想線（Ｌ１）と、前記ティースに対応する隣接した一対のセグメント（２３ａ）の間のアンダーカット（２３ｂ）の周方向の中心位置を通る第２仮想線（Ｌ２）とが交差する角度Ｃ、　界磁磁石（３２）の無地束帯を通る第３仮想線（Ｌ３）と、給電ブラシ（４３）の周方向の中心位置を通る第４仮想線（Ｌ４）とが交差する角度Ｄ、　前記第３仮想線と、磁極の周方向の中心位置を通る第５仮想線（Ｌ５）とが交差する角度Ｅ、　ステータ（３０）の基準線（ＲＬ）と、前記ステータへのブラシホルダ（４１）の組み付け位置の基準点（ＲＰ）を通る第６仮想線（Ｌ６）とが交差する角度Ｆ、を規定したとき、　前記角度Ｃ＋前記角度Ｄ－前記角度Ｅ＋前記角度Ｆで表されるシフト角Ｓが、電機子トルクとコギングトルクとの位相差が１８０度±８０度となるように調整されている。

Description

直流モータ 関連出願の相互参照

　本出願は、2021年4月28日に出願された日本国特許出願2021-075818号に基づくものであって、その優先権の利益を主張するものであり、その特許出願の全ての内容が、参照により本明細書に組み込まれる。

　本開示は、直流モータに関する。

　例えば車両にはＡＢＳ（アンチロックブレーキングシステム）といった制御ブレーキが搭載されており、ＡＢＳの駆動源には直流モータが使用されている。この直流モータは、特許文献１に開示されるように、シャフトに装着された電機子及び整流子と、整流子の複数のセグメント上を摺動する複数の給電ブラシと、を備えている。この複数の給電ブラシの間で整流のタイミングのずれが生じると、電機子のコイルに磁界のアンバランスが生じ、結果として回転時の振動や騒音の原因となる。

特開２０１７－１５８３５９号公報

　特許文献１では、直流モータの振動や騒音を低減するため、電機子のコイルを形成する巻線の巻き方のバランスを改良することによって電機子の共振を低減する技術が提案されている。しかしながら、車両の動力源がエンジンから電動モータに移行してきている近年では、乗車時の快適性の向上のため車両の構成部品の低振動化及び低騒音化がさらに求められている。したがって、車両に組み込まれる直流モータについてさらなる低振動化及び低騒音化を実現する必要がある。

　本開示は、これまで以上に振動や騒音を低減することができる直流モータを提供することを目的とする。

　本開示に係る直流モータは、シャフトの軸心周りに配列された複数のティースであって、隣接するティースの間にスロットを形成する複数のティースを有する電機子コアと、電機子コアに隣接して軸心周りに配列された複数のセグメントを有する整流子と、を有するロータと、軸心周りに配列された、複数の磁極を有する複数の界磁磁石を有するステータと、軸心周りにセグメントに接触して配列された複数の給電ブラシを保持するブラシホルダと、を備え、自然数がｎである場合にスロットの数Ａと磁極の数Ｂとの関係がＡ＝ｎ×Ｂであり、シャフトの出力側から見て軸心を基準とした場合に、ティースの周方向の中心位置を通る第１仮想線と、ティースに対応する隣接した一対のセグメントの間のアンダーカットの周方向の中心位置を通る第２仮想線とが交差する角度Ｃ、界磁磁石の無地束帯を通る第３仮想線と、給電ブラシの周方向の中心位置を通る第４仮想線とが交差する角度Ｄ、第３仮想線と、磁極の周方向の中心位置を通る第５仮想線とが交差する角度Ｅ、ステータの基準線と、ステータへのブラシホルダの組み付け位置の基準点を通る第６仮想線とが交差する角度Ｆを規定したとき、角度Ｃ＋角度Ｄ－角度Ｅ＋角度Ｆで表されるシフト角Ｓが、電機子トルクとコギングトルクとの位相差が１８０度±８０度となるように調整される。

　このような構成の直流モータでは、電機子トルク及びコギングトルクの位相に関わる角度Ｃ乃至角度Ｆの合成に基づいて得られるシフト角Ｓを調整することによって、複数の給電ブラシの間で整流のタイミングを調整することができる。本発明者の検証によれば、直流モータの出力特性も併せて考慮すると、シフト角Ｓが、電機子トルクとコギングトルクとの位相差が１８０度±８０度となるように設定されると、直流モータの振動及び騒音をこれまで以上に低減することができることが確認された。また、シフト角Ｓは、位相差が１８０度±６０度となるように調整されることがさらに好ましい。

　本開示に係る直流モータでは、角度Ｃは０度±３度、角度Ｄは３０度±３度、角度Ｅは３０度±３度、角度Ｆは０度±３度の範囲であり、シフト角Ｓは０度±３度の範囲であることが好ましい。また、磁極の数Ｂが６で自然数ｎが３である場合、各巻線が、３つのティースにまたがって１２０度の等間隔で巻き付けられて３つのコイルを形成することが好ましい。本開示に係る直流モータは制御ブレーキに使用される。

　本開示によれば、これまで以上に振動や騒音を低減することができる直流モータが提供される。

本実施形態に係る直流モータの構成を概略的に示す分解斜視図である。 シャフトの出力側から見たロータの側面図である。 シャフトの出力側から見たステータの側面図である。 シャフトの出力側とは反対側から見たブラシホルダの側面図である。 シャフトの出力側から見た直流モータの側面図である。 解析結果に基づくシフト角とトルクリップルとの関係を示すグラフである。 解析結果に基づくシフト角とトルクリップル（電機子トルク及びコギングトルク）の位相との関係を示すグラフである。

　以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

　図１は、本実施形態に係る直流モータ１０の構成を概略的に示す分解斜視図である。直流モータ１０は、例えばＡＢＳ（アンチロックブレーキングシステム）といった制御ブレーキの駆動源に組み込まれる直流モータである。具体的には、直流モータ１０の回転の駆動力が油圧ポンプ（図示せず）のピストンの直線往復運動に変換されることによって油圧が制御され、ブレーキディスク（図示せず）の制動力が制御される。

　直流モータ１０は、ロータ２０と、ステータ３０と、ブラシ装置４０と、を備えている。ロータ２０は、出力軸として機能するシャフト２１と、シャフト２１に固定された電機子コア２２と、シャフト２１の出力側に隣接して同様にシャフト２１に固定された整流子（コンミテータ）２３と、電機子コア２２に巻き付けられた複数の巻線２４と、を備えている。シャフト２１の一端は、ブラシ装置４０から外側に突出して被駆動装置（図示せず）に連結される。こうしてシャフト２１は被駆動装置に回転の駆動力を伝達する。

　図２は、シャフト２１の出力側から見たロータ２０の側面図である。なお、図２では一部の巻線２４のみを図示している。図１及び図２を併せて参照すると、電機子コア２２は、シャフト２１に圧入されて固定される円筒形の環状部２２ａと、環状部２２ａの外周面から径方向に放射状に延びる複数のティース２２ｂと、を備えている。隣接する一対のティース２２ｂ、２２ｂの間にはスロット２２ｃが形成されている。電機子コア２２は磁性材料から形成されている。

　ティース２２ｂは、シャフト２１の軸心Ｘ周りに周方向に等間隔に配列されている。ティース２２ｂは、シャフト２１の出力側から見てＴ字形状に形成されている。本実施形態では、電機子コア２２は、軸心Ｘ周りに２０度間隔で配列された１８個のティース２２ｂを備えており、したがって、電機子コア２２の外周面には軸心Ｘ周りに周方向に等間隔に配列された１８個のスロット２２ｃが形成されている。

　複数の巻線２４は、いわゆる分布巻きによって電機子コア２２に巻き付けられている。具体的には、図２に示すように、１本の巻線２４が３つのティース２２ｂにまたがって複数回にわたって巻き付けられて１番目のコイル２５を形成する。同一の巻線２４は軸心Ｘ周りに１２０度離間した３つのティース２２ｂにまたがって複数回にわたって巻き付けられて２番目のコイル２５を形成する。当該巻線２４はさらに、軸心Ｘ周りに１２０度離間した３つのティース２２ｂにまたがって複数回にわたって巻き付けられて３番目のコイル２５を形成する。

　本実施形態では、電機子コア２２は１８個のティース２２ｂを備えていることから、１本の巻線２４による巻き付けによって３つのコイル２５を形成することがティース２２ｂをずらしつつ１８回繰り返される。すなわち、すでに形成されたコイル２５にさらにコイル２５が積層されていく。こうして電機子コア２２では、最終的なコイル２５の数は３×１８＝５４個となる。各巻線２４の端部は、後述する整流子２３のセグメント２３ａにそれぞれ電気的に接続されている（図示せず）。

　整流子２３は、シャフト２１に圧入されて固定されている。この整流子２３は、軸心Ｘ周りに周方向に等間隔に配列された複数のセグメント（整流子片）２３ａを備えている。セグメント２３ａの数は、ティース２２ｂ及びスロット２２ｃに対応する数すなわち１８個である。相互に隣接する各セグメント２３ａ同士は電気的に絶縁された状態で配列されており、隣接するセグメント２３ａ同士の間には溝すなわちアンダーカット２３ｂが形成されている。各セグメント２３ａには、対応の各巻線２４の端部が電気的に接続されている（図示せず）。

　図３は、シャフト２１の出力側から見たステータ３０の側面図である。なお、図３ではロータ２０及びブラシ装置４０の図示を省略している。図１及び図３を併せて参照すると、ステータ３０はヨークハウジング３１を備える。

　ヨークハウジング３１は、円形の底部３１ａと、円形の底部３１ａの外周縁から軸心Ｘに沿って延在する円筒状の側壁部３１ｂと、底部３１ａとは反対側に規定される側壁部３１ｂの開口部３１ｃと、開口部３１ｃの外周縁から側壁部３１ｂに直交しつつ外側に延在するフランジ３１ｄと、を備えている。ヨークハウジング３１内にロータ２０が収容され、底部３１ａには、ロータ２０のシャフト２１の一端を回転自在に支持する軸受部材（図示せず）が配置されている。円筒状の側壁部３１ｂの中心軸はシャフト２１の軸心Ｘに一致する。開口部３１ｃにはブラシ装置４０が取り付けられる。

　側壁部３１ｂの内周面には複数の界磁磁石３２が固定されている。本実施形態では、側壁部３１ｂの内周面に沿って湾曲した３つの界磁磁石３２が１２０度の等間隔で配列されている。各界磁磁石３２は、シャフト２１の軸心Ｘ周りに周方向の中心位置に無地束帯３２ａを形成する、１つのＮ極磁石３２Ｎと１つのＳ極磁石３２Ｓとが一体化された構成の磁石である。なお、界磁磁石３２には、Ｎ極磁石３２ＮとＳ極磁石３２Ｓとが別体で構成された界磁磁石が用いられてもよい。

　各界磁磁石３２は、ロータ２０のティース２２ｂの径方向外側でティース２２ｂに対向して配置されており、前述のコイル２５に流される電流に基づいて電機子コア２２に電磁力が生成され、この電磁力がロータ２０を回転させるトルクとなる。なお、本実施形態の直流モータ１０は、３つの界磁磁石３２が６極を有しているので、磁極が６極のモータである。すなわち、自然数ｎが３である場合であり、スロット２２ｃの数（Ａ）と磁極の数（Ｂ）との関係（Ａ）＝ｎ×（Ｂ）は１８＝３×６となる。

　図１に戻ると、ブラシ装置４０は、ヨークハウジング３１の開口部３１ｃ内に例えばかしめによって取り付けられて開口部３１ｃを閉塞するブラシホルダ４１を備えている。ブラシホルダ４１は、ロータ２０のシャフト２１の他端を受け入れる開口部４１ａを備えており、開口部４１ａ内には、シャフト２１の他端を回転可能に支持する軸受部材（図示せず）が配置されている。

　図４は、シャフト２１の出力側とは反対側から見たブラシホルダ４１の側面図である。なお、図４ではロータ２０の図示を省略している。図１及び図４を併せて参照すると、ブラシホルダ４１の内面には複数のブラシボックス４２が保持されており、各ブラシボックス４２には給電ブラシ４３が支持されている。本実施形態では、シャフト２１の軸心Ｘ周りに等間隔（６０度間隔）に６つのブラシボックス４２すなわち給電ブラシ４３が配列されている。図３及び図４を併せて参照すると、各給電ブラシ４３は、各界磁磁石３２のＮ極磁石３２Ｎ及びＳ極磁石３２Ｓの周方向の中心位置すなわち磁極中心の位置に配置されている。

　各給電ブラシ４３は、主として黒鉛粉体と胴粉体とを含む焼結体であり、ブラシホルダ４１に設けられた給電部材（図示せず）に接続されている。こうして外部電源から給電部材を通じて給電ブラシ４３に電流が供給される。一方で、ブラシホルダ４１及びブラシボックス４２は樹脂材料等の電気的な絶縁材料から形成されている。

　給電ブラシ４３は、整流子２３のセグメント２３ａの径方向外側に配置されており、ブラシボックス４２内に配置された例えばコイルばね（図示せず）によって、直流モータ１０の径方向にセグメント２３ａに向かって進退可能に付勢されており、その結果、給電ブラシ４３の径方向内端がセグメント２３ａに押し付けられて接触している。ロータ２０の回転に伴って、各給電ブラシ４３は、セグメント２３ａ上を摺動することによって、セグメント２３ａに電気的に接続された巻線２４すなわちコイル２５に電流を供給することができる。

　図５は、シャフト２１の出力側から見た直流モータ１０の側面図である。図１及び図５を併せて参照すると、ヨークハウジング３１には、シャフト２１の軸心Ｘを通る基準線ＲＬが規定される。基準線ＲＬは、ヨークハウジング３１のフランジ３１ｄに形成された３つの開口部３１ｅのうちの１つの開口部３１ｅの中心を通る線である。なお、３つの開口部３１ｅは、軸心Ｘ周りに１２０度の等間隔で配列されている。本実施形態では、基準線ＲＬは、ヨークハウジング３１内の界磁磁石３２の無地束帯３２ａに一致する。

　一方で、ブラシホルダ４１の外面には、軸心Ｘ周りに１２０度の等間隔で３つの有底孔４１ｂが配列される。この有底孔４１ｂの中心は、ブラシホルダ４１すなわちブラシ装置４０をヨークハウジング３１に組み付ける際の組み付け位置の基準点ＲＰとして機能する。具体的には、ヨークハウジング３１に対するブラシホルダ４１の軸心Ｘ周りの組み付け位置が、ヨークハウジング３１の基準線ＲＬとブラシホルダ４１の基準点ＲＰとの位置が調整されることによって規定される。

　ここで、直流モータが構造的に起こしやすいトルク変動について説明する。トルク変動の要因には、コイル２５への通電時に電機子コア２２に生成される電磁力に基づく電機子トルクと、界磁磁石３２から電機子コア２２に作用する磁力線の影響を受けて発生するコギングトルクとがある。電機子トルク及びコギングトルクはいずれもロータ２０の回転位置によって変化し、具体的には、回転角度によるトルクの大きさの変化はきれいなサインカーブ（正弦曲線）で表される。

　この電機子トルクとコギングトルクとを足したものがいわゆるトルクリップルである。したがって、電機子トルクのサインカーブの位相とコギングトルクのサインカーブの位相とが一致すると、トルクリップルが増大してしまうため、直流モータの振動や騒音が増大する。本発明は、電機子トルク及びコギングトルクの位相を調整することによって、すなわち、電機子トルク及びコギングトルクの位相をずらして相殺することによって、トルクリップルを低減し、直流モータ１０の振動や騒音を低減するものである。

　本発明者は、トルクリップルの低減にあたって、電機子トルク及びコギングトルクの位相に関わる以下の角度の合成に基づいて得られるシフト角Ｓを調整することによって、複数の給電ブラシ４３の間で整流のタイミングを調整することに着目した。

　第１の角度として、図２に示すように、シャフト２１の出力側から見て軸心Ｘを基準とした場合、電機子コア２２のティース２２ｂの周方向の中心位置を通る第１仮想線Ｌ１と、このティース２２ｂに対応する整流子２３の隣接した一対のセグメント２３ａ、２３ａの周方向の中心位置を通る第２仮想線Ｌ２とが交差する角度Ｃが規定される。この角度Ｃの大きさは、公差を考慮して０度±３度の範囲で調整される。

　第２の角度として、図４に示すように、シャフト２１の出力側から見て軸心Ｘを基準とした場合（図４では、出力側とは反対側から見た角度が示されている）、界磁磁石３２の無地束帯３２ａを通る第３仮想線Ｌ３と、第３仮想線Ｌ３に隣接する例えばＮ極磁石３２Ｎに対応する給電ブラシ４３の周方向の中心位置を通る第４仮想線Ｌ４とが交差する角度Ｄが規定される。この角度Ｄの大きさは、公差を考慮して３０度±３度の範囲で調整される。なお、第４仮想線Ｌ４は、給電ブラシ４３ではなくブラシボックス４２の周方向の中心位置を通る線で規定されてもよい。

　第３の角度として、図３に示すように、シャフト２１の出力側から見て軸心Ｘを基準とした場合、界磁磁石３２の無地束帯３２ａを通る第３仮想線Ｌ３と、第３仮想線Ｌ３に隣接する例えばＮ極磁石３２Ｎの周方向の中心位置（磁極中心）を通る第５仮想線Ｌ５とが交差する角度Ｅが規定される。この角度Ｅの大きさは、公差を考慮して３０度±３度の範囲で調整される。

　第４の角度として、図５に示すように、シャフト２１の出力側から見て軸心Ｘを基準とした場合、ステータ３０すなわちヨークハウジング３１の基準線ＲＬと、ヨークハウジング３１へのブラシホルダ４１の組み付け位置の基準点ＲＰを通る第６仮想線Ｌ６とが交差する角度Ｆが規定される。なお、図５では、この角度Ｆは０度に設定されているため、基準線ＲＬと第６仮想線Ｌ６とが一致している。この角度Ｆの大きさは、公差を考慮して０度±３度の範囲で調整される。

　本実施形態では、整流のタイミングを調整するため、角度Ｃ＋角度Ｄ－角度Ｅ＋角度Ｆで表されるシフト角Ｓが設定される。このシフト角Ｓの設定にあたって本発明者は解析シミュレーションによる検証を行った。解析シミュレーションでは、本実施形態の直流モータ１０において、無負荷振動数１５００ｒｐｍでロータ２０が回転した時のシフト角Ｓとトルクリップル（電機子トルク及びコギングトルク）との関係が検証された。

　図６は、解析シミュレーション結果に基づくシフト角Ｓとトルクリップルとの関係を示すグラフである。解析に用いた直流モータ１０は、１８個のティース２２ｂ及び６個の磁極を有しており、したがって、グラフの右側の縦軸は１８次振動モードにおけるトルクリップルの解析値（Ｎ・ｍ）を示している。一方で、グラフの左側の縦軸は直流モータ１０の１８次振動の実測値（ｍ／ｓ^２）の平均値を示している。トルクリップルの解析値及び１８次振動の実測値はともに、ほぼ同様の結果を示しており、具体的には、シフト角Ｓが０度に設定されると最も低減され、シフト角Ｓが０度から増大又は減少するにつれて増大することが確認された。

　図７は、同様の解析シミュレーション結果に基づくシフト角Ｓとトルクリップル（電機子トルク及びコギングトルク）の位相との関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、シフト角Ｓが０度の場合、すなわち、電機子トルクの位相とコギングトルクの位相との差が１８０度となる場合に両者のトルクのサインカーブの位相が最も相殺されることが可能であることが確認された。シフト角Ｓが０度から増大又は減少するにつれて、両者のトルクの位相の差が１８０度から増減することが確認された。

　以上の解析シミュレーション結果によれば、シフト角Ｓが０度に設定される場合にトルクリップルが最も低減されて振動や騒音が低減されることが確認された。一方で、トルクリップルの低減は直流モータ１０の出力特性を低減することにつながることは技術常識である。したがって、直流モータ１０の出力特性を併せて考慮すると、シフト角Ｓが、位相差が１８０度±８０度となるように、すなわち、０度±４度の範囲で設定されることが好ましい。また、直流モータ１０の振動及び騒音をより低減する場合には、シフト角Ｓは、位相差が１８０度±６０度となるように、すなわち、０度±３度の範囲で設定されることがより好ましい。

　以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

Claims (5)

1. 　シャフト（２１）の軸心（Ｘ）周りに配列された複数のティース（２２ｂ）であって、隣接する前記ティースの間にスロット（２２ｃ）を形成する複数のティースを有する電機子コア（２２）と、前記電機子コアに隣接して前記軸心周りに配列された複数のセグメント（２３ａ）を有する整流子（２３）と、を有するロータ（２０）と、
   　前記軸心周りに配列された、複数の磁極を有する複数の界磁磁石（３２）を有するステータ（３０）と、
   　前記軸心周りに前記セグメントに接触して配列された複数の給電ブラシ（４３）を保持するブラシホルダ（４１）と、を備え、
   　自然数がｎである場合に前記スロットの数Ａと前記磁極の数Ｂとの関係がＡ＝ｎ×Ｂであり、
   　前記シャフトの出力側から見て前記軸心を基準とした場合に、
   　前記ティースの周方向の中心位置を通る第１仮想線（Ｌ１）と、前記ティースに対応する隣接した一対の前記セグメントの間のアンダーカット（２３ｂ）の周方向の中心位置を通る第２仮想線（Ｌ２）とが交差する角度Ｃ、
   　前記界磁磁石の無地束帯を通る第３仮想線（Ｌ３）と、前記給電ブラシの周方向の中心位置を通る第４仮想線（Ｌ４）とが交差する角度Ｄ、
   　前記第３仮想線と、前記磁極の周方向の中心位置を通る第５仮想線（Ｌ５）とが交差する角度Ｅ、
   　前記ステータの基準線（ＲＬ）と、前記ステータへの前記ブラシホルダの組み付け位置の基準点（ＲＰ）を通る第６仮想線（Ｌ６）とが交差する角度Ｆを規定したとき、
   　前記角度Ｃ＋前記角度Ｄ－前記角度Ｅ＋前記角度Ｆで表されるシフト角Ｓが、電機子トルクとコギングトルクとの位相差が１８０度±８０度となるように調整された、直流モータ（１０）。
2. 　前記シフト角Ｓは、前記位相差が１８０度±６０度となるように調整される、請求項１に記載の直流モータ。
3. 　前記角度Ｃは０度±３度、前記角度Ｄは３０度±３度、前記角度Ｅは３０度±３度、前記角度Ｆは０度±３度の範囲であり、前記シフト角Ｓは０度±３度の範囲である、請求項２に記載の直流モータ。
4. 　前記磁極の数Ｂが６で前記自然数ｎが３である場合、各巻線（２４）が、３つの前記ティースにまたがって１２０度の等間隔で巻き付けられて３つのコイル（２５）を形成する、請求項１～３のいずれか１項に記載の直流モータ。
5. 　制御ブレーキに使用される、請求項１～４のいずれか１項に記載の直流モータ。

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