JP2009171704A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】アーマチュアコアの径方向に同極同士を互いに対向させたマグネットを設けたモータにおけるトルクリプルの低減を実現する。
【解決手段】ロータ４を内蔵する筒状ヨーク３の内周面に一対の互いに同極同士を対向させたマグネット１２を配設し、ヨークの各マグネットの間を鉄極部分３ａとして形成し、ロータのティース４ｄの数を奇数とする。マグネットおよび周方向に隣り合うマグネット間に設けられた各磁極の数が偶数になるのに対して、ロータ側のティースの数を奇数としたことから、磁極に正対しているティースの１８０度反対側にはティースが存在せず、これにより、それぞれのティースのトルク波形の位相がずれるため、各ティースの発生トルクの合算による全体のトルクが平滑化されてトルクリプルが低減される。
【選択図】図２

Description

本発明は、コイルを巻線されたアーマチュアコアを同軸的に回転自在に受容する筒状のヨークの内周面にマグネットを配設したモータに関するものである。

例えばインナロータ形式のモータにあっては、円筒状のヨークの内周面に複数のマグネットを各磁極が交互になるように周方向に並べているものが公知である。そのようなモータで例えば４極の磁極を有するものにあっては、４つの円弧状断面形状のマグネットを周方向に等配分して設けており、その場合には径方向の厚さは全周において同じになる。

それに対して、２つのマグネットを同極同士が対向するようにヨーク内周面に配設し、ヨークにおける２つのマグネット間の部分をロータに近接させて形成した疑似４極モータを構成することにより、マグネットを配設していない部分の径方向の厚さを薄型化したモータが提案されている（例えば特許文献１参照）。このようなモータを自動車のドア内に装着するパワーウィンドウ用モータ装置に適用することにより、ドアの薄型化に貢献し得るなど、モータを装着する部分のコンパクト化を実現し得る。
特開２００７−１２４８８５号公報

上記疑似４極モータにあっては、ヨークにおけるマグネット間の部分がマグネットに対して異極となる鉄極となり、その鉄極におけるトルク発生源は、ロータ側のティースとヨーク側の鉄極との間に発生するリラクタンストルクである。

一方、上記ヨークにおけるマグネット間の鉄極となる部分にあっては、ロータ（ティース）の回転面に沿う円弧状の曲面に形成することが考えられる。その場合にはロータの回転において鉄極とティースとのエアギャップは均一である。そして、ティースが鉄極に対してずれて配置されているときは、鉄極がティースを引き寄せる吸引トルク（リラクタンストルク）が発生するが、ティースが鉄極と重なった（最も引き寄せられた）後は鉄極とティースとのエアギャップが均一であるため、発生するリラクタンストルクのうちのロータの回転方向への回転力となるトルクが発生しなくなる。そのため、ティースが鉄極と重なっていない状態でティースに発生するロータの回転方向への回転力となるトルクと、ティースが鉄極と重なっている状態でティースに発生するロータの回転方向への回転力となるトルクとの相違によりトルクリプルが大きいという問題があった。さらに、従来技術のようにティースの本数が偶数である場合、それぞれのティースの１８０度対向する位置にティースが設けられていると、任意のティースが鉄極に引き寄せられたとき、１８０度対向する位置でも別のティースが鉄極に引き寄せられており、トルクリプルの増大が顕著に現れるという問題があった。

このような課題を解決して、アーマチュアコアの径方向に同極同士を互いに対向させたマグネットを設けたモータにおけるトルクリプルの低減を実現するるために本発明に於いては、ロータ軸に一体的に設けられかつコイルを巻線されたアーマチュアコアと、前記アーマチュアコアを同軸的に回転自在に受容する筒状のヨークと、前記ヨークの内周面に前記アーマチュアコアの径方向に同極同士を互いに対向させて配設された一対のマグネットとを有し、前記ヨークにおける前記マグネットの周方向に隣り合うもの同士の間となる部分に前記マグネットの前記同極とは異なる異極となる鉄極が設けられたモータであって、前記アーマチュアコアのティースの数が３以上の奇数であるものとした。

このように本発明によれば、少なくとも一対のマグネットを同極同士が対向するように配設したモータにおいて、マグネットおよび周方向に隣り合うマグネット間に設けられた各磁極の数が偶数になるのに対して、ロータ側のティースの数を奇数としたことから、磁極に正対しているティースの１８０度反対側にはティースが存在せず、これにより、それぞれのティースのトルク波形の位相がずれるため、各ティースの発生トルクの合算による全体のトルクが平滑化されてトルクリプルが低減される。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用された自動車用ワイパモータを示す図である。図に示されるように、モータ１とギアボックス２とが互いのケーシング同士を結合させて一体化されている。なお、本発明のモータにあってはワイパモータに限られるものではなく、種々のモータ装置に適用可能である。

図示例のモータ１は、４極の磁極を有するモータであり、ケーシングを構成する有底筒状のヨーク３と、ヨーク３内に回転自在に受容されたアーマチュアコアとしてのロータ４とを有する。ロータ４は、ロータ軸４ａと、ロータ軸４ａに同軸に固設された積層電磁鋼板からなるコア４ｂと、コア４ｂに巻線されたコイル４ｃとにより構成されている。ロータ軸４ａの軸線方向一端部は、有底筒状のヨーク３の底部の中央部分に軸受部材を介して回転可能に支持され、他端部はヨーク３の開口端からギアボックス２内に延出しかつ適所で軸支されている。

なお、ロータ軸４ａのギアボックス２側にはコンミテータ５が固設されており、コンミテータ５に摺接するブラシ６を支持するブラシホルダ７はギアボックス２のケーシングの一部により支持されている。

また、ロータ軸４ａのギアボックス２内に突入している端部にはウォーム８が一体的に設けられ、ギアボックス２内に設けられたホイール９とウォーム８とが噛み合わされている。ホイール９にはギアボックス２の外方に突出する出力軸１０が同軸に一体的に設けられており、出力軸１０の外方突出端部には図示されないワイパ装置のリンク機構１１の一部を構成するリンクアームと連結するためのテーパ状のセレーション部１０ａとリンクアームを固定するためのナットが螺合するねじ部１０ｂが形成されている。したがって、図示例ではロータ軸４ａと出力軸１０とは互いに直交している。

図２に示されるように、ヨーク３の内周面に設けられるマグネットは、互いに同極同士（図示例ではＮ極）を対向させて配設された一対の弧状断面形状のマグネット１２により構成されている。一対のマグネット１２は１８０度対向して配設されており、それら両マグネット１２の周方向長（ロータ４ｂの回転方向に対する長さ）は１周（３６０度）の約１／４である。なお、図示例ではヨーク３の肉厚は全周に渡って均一であり、ヨーク３の一対のマグネット１２を取り付ける部分は外方に膨出した形状に形成されており、その膨出部分３ｂに内蔵されるようにマグネット１２が取り付けられている。

また、ヨーク３における一対のマグネット１２間の部分にあっては、マグネット１２と共にロータ４ｂの回転外周面に対向する内周面を構成する円弧状の面を有するように形成されており、その部分により鉄極部分３ａが構成されている。これにより、図示例ではマグネット１２と鉄極部分３ａとにより４極モータと同様の磁極を有する。鉄極部分３ａも、マグネット１２と同様に周方向長が１周（３６０度）の約１／４の円弧状に形成されている。図示例のものにあっては、両マグネット１２及び鉄極部分３ａの内周面とロータ４ｂの回転外周面との空隙ｄは同一である。

このようにして構成されたモータ１にあっては、一対のマグネット１２が互いに同極同士を対向させて配設されていることから、両マグネット１２の中間点となる鉄極部分３ａの中間点（周方向に対して）に図示例ではＳ極が発生する。これにより、鉄極部分３ａがマグネット１２とは異極のマグネットを設けたことと同じに作用し、４極のマグネットを配設したモータと同じ磁気回路を構成することができる。

この構造により、マグネット１２の数を半分に減らすことができると共に、鉄極部分３ａの径方向長さを短くすることができる。図示例の４極モータの場合には両鉄極部分３ａが１８０度対向して位置し、図２に良く示されるように、両鉄極部分３ａを通る方向に薄い扁平型のモータ１を形成することができる。そのような扁平型モータにあっては、例えば自動車のエンジンルーム内のような設置スペースが狭い所に配設するワイパモータや、自動車のドアのような厚みの薄い設置スペースに配設するパワーウィンドモータに適用することにより、その効果が大となる。

図３に本発明に基づくモータ３の巻線図を示す。図３にあっては、コイル４ｃの巻線と各マグネット１２及び鉄極部分３ａとの関係を分かり易く図示するために展開図としている。図において１〜９の数字は、説明用にコア４ｂの９個のティース４ｄ及びコンミテータ５のセグメントを示すためのものである。なお、ティース４ｄの数（９個）については、モータの仕様により適宜変更可能な数であるが、本発明のモータ３にあっては、ティース４ｄの数は３以上の奇数（２ｎ＋１；ｎは自然数）である。図示例では、９つのティース４ｄ（９つのスロット）が設けられている。また、コイル４ｃにあっては、図３に示されるように、所定のティースを跨いで巻かれる波巻きによると良い。

ここで、マグネットと鉄極部分とにより２Ｎ（Ｎは自然数）の磁極を構成した疑似２Ｎ極モータと、マグネットにより２Ｎの磁極を構成した通常２Ｎ極モータとにおける各トルク波形の違いについて、図４を参照して説明する。図はＣＡＥ解析によるものであり、説明を容易にするためにモータにおけるティースの１つについて生じるトルク波形について示している。

図４では、縦軸にトルク、横軸を回転角とし、回転方向手前のマグネットから鉄極部分を通過して回転方向先のマグネットに至る範囲について示す。また、本発明による疑似２Ｎ極モータにおけるトルク波形を実線で示し、通常２Ｎ極モータにおけるトルク波形を二点鎖線で示している。疑似２Ｎ極モータ（Ｎは自然数）のトルクは、マグネットによるトルクと鉄極部分による吸引トルクとの和である。そのトルクのリプル増加の原因は、鉄極部分の吸引トルク（所謂リラクタンストルク）にある。説明を容易にするために、アーマチュアコアとしてのロータに働くトルクを分解して１つのティースについて示したのが図４である。

図４の実線に示されるように、ティースが鉄極部分に近付くと、そのティースに働くトルクは急激に立ち上がり、その後急激に落ち込む。鉄極部分の中央部に至るまでの特にトルクが落ち込んでいる範囲（図のＡ）では、通常２Ｎ極モータの場合は鉄極部分がマグネットであるため、そのマグネットによるティースをロータの回転方向へ回転させるための回転力となるトルクが発生するが、擬似２Ｎ極モータの場合は鉄極部分による発生トルクが吸引トルク（リラクタンストルク）であるため、ティースが鉄極部分と重なった（最も引き寄せられた）後はティースをロータの回転方向へ回転させるための回転力となるトルクが発生しなくなるため、マグネットトルクに対して約１／３まで低下してしまう。

この急激な立ち上がりと落ち込みが、各ティースによるトルクを合算してアマチュアトルクになった場合でも、図５の二点鎖線に示されるようにトルクリプルの山と谷となって現れており、モータにおけるトルクリプル増加の原因であることが確認された。

次に図５に、疑似２Ｎ極モータにおける従来の偶数のティースを設けたもの（例えば１０ティース）と本願発明による奇数のティースを設けたもの（例えば９ティース）とのトルク波形の比較を示す。図５では、ロータ４の１回転におけるトルク波形を示しており、本願発明に基づく９ティースのものを実線で示し、従来の１０ティースのものを二点鎖線で示している。

偶数ティースのものは、対称位置にあるティース同士のトルク波形が同位相となるためティースのトルク波形の山と谷とが強調され、合算されたトルクのピークも大きくなる。それに対して奇数ティースのものは、各ティース同士が対称位置にならないため、各トルク波形の位相も異なる。これにより、ティースのトルク波形の山に対して他のティースの谷が重なってトルク波形の山と谷とが相殺され、合算されたトルクのピークが小さくなる。

このように、疑似２Ｎ極モータのティースを奇数としたことから、偶数の磁極に対してティースが奇数となり、図５の実線に示されるように、ロータ４の（合算）トルク波形は平滑化されてトルクリプルは小さくなる。また、図示例では９ティースとしたが、ティース（スロット）の数が少ないモータほど、奇数ティース（スロット）によるトルクリプルの抑制効果は高い。また、ティース（スロット）の数が増加すれば、偶数ティース（スロット）であってもトルクリプルは小さくなるが、奇数ティース（スロット）にすることによるトルクリプル抑制効果はより一層高くなる。

また、ヨーク３の形状の他の例について図６を参照して以下に示す。なお、図６において上記図示例と同様の部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この図示例のものにあっては、鉄極部分３ａのモータ軸線方向から見た断面形状が、図に示されるようにロータ４の外周面の曲がりよりも大きい曲がりとなるように形成されている。図示例のものにあっては、鉄極部分３ａの内周面が、ロータ４の軸心から距離ｄだけ偏倚した位置を曲率中心Ｃｙとする曲率円（半径Ｒ）で膨出部分３ｂに至るように形成されている。

ロータ４の回転によりティース４ｄがマグネット１２から鉄極部分３ａに移るとき、上記したように鉄極部分３ａの端部との間に生じる磁束による吸引トルクが急激に大きくなり、ティース４ｄが鉄極部分３ａのエリアに入ったら急激に落ち込む。

それに対して、図６に示される構造にすることにより、ティース４ｄが鉄極部分３ａのエリアに入るときに、その鉄極部分３ａの端部との隙間が大きく、吸引トルクの急激な増大が抑制される。したがって、その後の吸引トルクの落ち込みを小さく、トルクリプルが抑制される。

これにより、上記した奇数ティースの効果と相乗して、より一層トルクリプルを低減することができ、モータ回転時の騒音や振動を低減できる。また、トルクリプルが大きい場合には起動を円滑に行うことができないため起動不良を起こすという問題があるが、そのような起動不良も解消し得る。また、とトルクリプルの大きさを低減するだけで、平均トルクの低減はないため、何等問題なく仕様を満たすことができる。

本発明にかかるモータは、一方向に対する薄型化が可能になり、自動車等のできるだけ幅の狭いスペースに収める要求がある場合に有用である。

本発明が適用された自動車用ワイパモータを示す要部破断側面図である。 図１の矢印II−II線に沿って見た断面図である。 本発明に基づくコイルの巻線構造を示す展開図である。 １ティースにおけるトルク波形を示す図である。 本発明のモータにおける合算トルクの波形を示す図である。 ヨークの他の例を示す図２に対応する図である。

符号の説明

１ モータ
３ ヨーク、３ａ 鉄極部分
４ ロータ、４ａ ロータ軸、４ｂ コア、４ｃ コイル、４ｄ ティース
１２ マグネット

Claims (1)

1. ロータ軸に一体的に設けられかつコイルを巻線されたアーマチュアコアと、前記アーマチュアコアを同軸的に回転自在に受容する筒状のヨークと、前記ヨークの内周面に前記アーマチュアコアの径方向に同極同士を互いに対向させて配設された一対のマグネットとを有し、
   前記ヨークにおける前記マグネットの周方向に隣り合うもの同士の間となる部分に前記マグネットの前記同極とは異なる異極となる鉄極が設けられたモータであって、
   前記アーマチュアコアのティースの数が３以上の奇数であることを特徴とするモータ。

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