(57)【要約】【課題】モータ温度の上昇に伴う回転数変化を調整し、高負荷時における動作点トルクの範囲内での回転数低下を抑制する。【解決手段】ワイパモータ１のモータ部Ｍは、マグネット４が固定されたステータ１０と、アーマチュアコイル７が巻装されステータ１０に対し回転自在に設けられたロータ３を有する。モータ部Ｍには、加熱手段として、マイナス側のブラシ１９とマグネット４との間に伝熱線２６が設けられており、ブラシ１９の熱が伝熱線２６を介してマグネット４に伝わる。ワイパモータ１では、モータ作動中に、マグネット４とアーマチュアコイル７の温度差が小さくなるように、ブラシ１９の熱を利用し、伝熱線２６を介してマグネット４を加熱する。これにより、回転数の特性線図の傾きが、無処置の場合よりも急になり、動作点トルク範囲の高トルク側においても回転数が常温時からほとんど低下しなくなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットが固定されたステータと、コイルが巻装され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、または、
コイルが巻装されたステータと、マグネットが固定され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、を有する電動モータであって、
前記電動モータの作動中に、前記マグネットと前記コイルの温度差が小さくなるよう前記マグネットを加熱することを特徴とする電動モータ。
【請求項２】
請求項１記載の電動モータにおいて、
前記電動モータは、前記マグネットの温度を上昇させる加熱手段を有し、
前記加熱手段によって前記マグネットを加熱することを特徴とする電動モータ。
【請求項３】
マグネットが固定されたステータと、コイルが巻装され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、または、
コイルが巻装されたステータと、マグネットが固定され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、を有する電動モータの制御装置であって、
前記電動モータは、前記マグネットの温度を上昇させる加熱手段を有し、
前記制御装置は、電動モータの作動中に、前記マグネットと前記コイルの温度差が小さくなるよう前記加熱手段を制御する加熱手段制御部を有することを特徴とする電動モータ制御装置。
【請求項４】
マグネットが固定されたステータと、コイルが巻装され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、または、
コイルが巻装されたステータと、マグネットが固定され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、を有する電動モータの制御方法であって、
前記電動モータの作動中に、前記マグネットと前記コイルの温度差が小さくなるよう前記マグネットを加熱することを特徴とする電動モータ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動モータに関し、特に、ワイパモータなど動作点トルクの範囲が広い電動モータにおける高負荷連続作動時に回転数低下抑制技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に電動モータ（以下、モータと略記する）では、高負荷によってモータ温度が上昇すると、コイル抵抗が増加して電流量が低下し、それに伴って回転数も低下する。特に、ワイパモータのように連続運転が必要であり、また、外部負荷の変動によって動作点トルク（そのモータにおいて必要とされる動作トルク）の範囲が広いモータでは、高負荷時における回転数低下が大きくなる。図７は、モータにおけるトルクと回転数および電流量との関係を示す説明図である。図７に示すように、モータでは、温度変化に伴いコイルの電流量やマグネットの磁束が変化する。すなわち、コイル温度が上昇すると、コイル抵抗が増加し、電流が低下することで特性が縮小する（図７のＰ→Ｑ）。また、コイルの発熱をもらい、マグネット温度が上昇すると磁束が低下し回転数が増加する（図７のＲ→Ｓ０）。このため、高負荷時にモータ温度が上昇し飽和温度時に達した場合、モータの回転数特性は図７の破線のように変化する。
【０００３】
ところが、モータ温度が上昇する際には、常温特性に対するトルクの低下分ΔＴｑが、回転数の増加分ΔＮよりも大きくなるため、図７の破線のように回転数特性が変化する。すなわち、特性線図の傾きが常温時よりも大きくなり、動作点トルク範囲の高トルク点Ｈにおいて、回転数が常温時よりも低下してしまう（図７のＸ部）。このため、従来のワイパモータ等においては、必要範囲の動作点トルク内で所定値以上の回転数が確保できるようにモータを設計しており、例えば、モータの冷却を行うことにより、ΔＴｑとΔＮの差を縮め、高トルク領域での回転数低下を抑えている。図８は、冷却処置を行った場合のトルクと回転数および電流量との関係を示す説明図である。
【０００４】
図８に示すように、モータの冷却を行うとモータ温度の上昇が少なくなり、コイル抵抗の増加も抑えられる。このため、電流低下量も小さくなり、特性が縮小も小さくなる（図８のＰ→Ｑ’）。また、マグネットの温度上昇が少なくなることから、磁束低下も抑えられ、回転数の増加も小さくなる（図８のＲ→Ｓ１）。このため、冷却処置を行わない場合に比して、特性線図の傾きの変化が小さくなり、動作点トルク範囲の高トルク点Ｈにおける回転数の低下が小さく抑えられる（図８のＹ部）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１５５２９９号公報
【特許文献２】特開２０１６−５２２４８号公報
【特許文献３】特許第３６４１８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、モータにおいては、小型・軽量化やコスト抑制のため、できるだけ低い出力で必要範囲の動作点トルクが確保できるような設計が求められる。その際、小型化を図りつつ出力を確保するためモータの巻線を増加させると、巻線が増えた分、高負荷時の温度上昇も増加する。そこで、前述のように、温度上昇による回転数低下を抑えるべく、モータの冷却処置が行われ、例えば、ヨークに黒色塗装を付して熱放射を促進させたり、熱伝導性シートを配してモータ取付用のフレームへの熱伝導を増大させたりするなど、モータに種々の冷却部材を付与して温度上昇の抑制が図られる。
【０００７】
しかしながら、モータに種々の冷却部材を配すると、部材が増えた分、モータの製造コストが増大してしまうという問題があった。また、放熱のため、モータの各部品をアルミニウムなど熱伝導性の良い材料で形成する必要があり、コストや重量の面で不利となるという問題もあった。
【０００８】
本発明の目的は、モータ温度の上昇に伴う回転数変化を調整し、高負荷時における動作点トルクの範囲内での回転数低下を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電動モータは、マグネットが固定されたステータと、コイルが巻装され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、または、コイルが巻装されたステータと、マグネットが固定され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、を有する電動モータであって、前記電動モータの作動中に、前記マグネットと前記コイルの温度差が小さくなるよう前記マグネットを加熱することを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、電動モータの作動中、特に高負荷時にマグネットとコイルの温度差が小さくなるようマグネットを加熱する。これにより、回転数の特性線図の傾きが、無処置の場合よりも急になり、動作点トルク範囲の高トルク側においても、回転数が常温時からほとんど低下しなくなる。したがって、高負荷によってモータ温度が上昇したときでも、動作点トルク範囲での回転数低下が抑えられ、所望の回転数を維持することが可能となる。この場合、高負荷時におけるマグネットの加熱は、従来、回転数低下を防止するため行われていた冷却処置とは真逆の処置であり、これにより、種々の冷却部材を廃することができる。
【００１１】
前記電動モータにおいて、前記電動モータに前記マグネットの温度を上昇させる加熱手段を設け、前記加熱手段によって前記マグネットを加熱するようにしても良い。この場合、加熱手段としては、例えば、マイナスブラシの熱をマグネットに伝える伝熱部材や、マグネットを直接加熱するヒータや、モータ内部空間の気密化などが挙げられる。
【００１２】
また、本発明の電動モータ制御装置は、マグネットが固定されたステータと、コイルが巻装され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、または、コイルが巻装されたステータと、マグネットが固定され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、を有する電動モータの制御装置であって、前記電動モータは、前記マグネットの温度を上昇させる加熱手段を有し、前記制御装置は、電動モータの作動中に、前記マグネットと前記コイルの温度差が小さくなるよう前記加熱手段を制御する加熱手段制御部を有することを特徴とする。
【００１３】
さらに、本発明の電動モータ制御方法は、マグネットが固定されたステータと、コイルが巻装され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、または、コイルが巻装されたステータと、マグネットが固定され前記ステータに対し回転自在に設けられたロータ、を有する電動モータの制御方法であって、前記電動モータの作動中に、前記マグネットと前記コイルの温度差が小さくなるよう前記マグネットを加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電動モータの作動中に、マグネットとコイルの温度差が小さくなるようマグネットを加熱するので、高負荷によってモータ温度が上昇したときでも、動作点トルク範囲での回転数低下が抑えられる。したがって、動作点トルク範囲にて所望の回転数を維持することが可能となる。また、従来、回転数低下防止のために使用されていた種々の冷却部材を廃することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１である電動モータを使用したワイパモータの構成を示す断面図である。
【図２】マグネット温度と回転数の関係を示すグラフである。
【図３】加熱処置を行った場合のトルクと回転数および電流量との関係を示す説明図である。
【図４】動作点の違いによる回転数変化を示す説明図であり、（ａ）は無処置の場合、（ｂ）は加熱処置を施した場合をそれぞれ示している。
【図５】本発明の実施の形態２である電動モータを使用したワイパモータの構成を示す断面図である。
【図６】モータ制御装置の制御系の構成を示すブロック図である。
【図７】モータにおけるトルクと回転数および電流量との関係を示す説明図である。
【図８】冷却処置を行った場合のトルクと回転数および電流量との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態１である電動モータを使用したワイパモータ１の構成を示す断面図である。ワイパモータ１は自動車用ワイパ装置の駆動源として使用され、図１に示すように、電動モータを用いたモータ部Ｍと、モータ部Ｍの回転出力を減速する減速部Ｒとから構成されている。モータ部Ｍは、有底円筒形状のモータハウジング２を有するステータ１０と、モータハウジング２内に回動自在に配されたロータ３と、を有している。鋼製のモータハウジング２の内周面には、周方向に２対４個（４極）のマグネット４が固定されている。
【００１７】
ロータ３は、回転軸５と、回転軸５に固定されたアーマチュアコア６と、アーマチュアコア６に巻装されたアーマチュアコイル７と、を有している。回転軸５の図中左端部は、モータハウジング２に取り付けられた軸受８によって回動自在に支持されている。アーマチュアコア６は、リング状の金属板９を複数枚積層して形成されている。アーマチュアコア６の外周には、軸方向に沿ってスロット１１が凹設されている。スロット１１間には巻線１２が重巻にて巻装される。巻線１２により、アーマチュアコア６の外周にアーマチュアコイル７が形成される。
【００１８】
アーマチュアコア６の一端側には、アーマチュアコア６と隣接してコンミテータ１３が配置されている。コンミテータ１３は、回転軸５に外嵌固定されている。コンミテータ１３の外周面には、導電材にて形成されたコンミテータ片（整流子片）１４が複数枚取り付けられている。各コンミテータ片１４のアーマチュアコア６側の端部には、ライザ１５が形成されている。ライザ１５には、アーマチュアコイル７の巻き始め端部と巻き終り端部が引っ掛けられ、固定される。これにより、コンミテータ片１４とこれに対応するアーマチュアコイル７とが電気的に接続される。
【００１９】
モータハウジング２の開口端には、アルミダイキャスト製のギヤハウジング１６が取り付けられている。ギヤハウジング１６の図中左端部内側には、ホルダステー１７が取り付けられている。ホルダステー１７には、周方向４箇所に２対のブラシホルダ１８が対向配置されており、モータ部Ｍは４ブラシ構成となっている。各ブラシホルダ１８には、それぞれブラシ１９が出没自在に内装されている。各ブラシ１９は、対向するブラシが同極性となるように配置されており、図１ではマイナス側のブラシが図示されている。
【００２０】
各ブラシ１９の突出先端部（内径側先端部）は、コンミテータ１３に摺接している。ブラシ１９は、スプリング２１によってコンミテータ１３に押接されている。各ブラシ１９には図示しないピグテールが取り付けられている。ブラシ１９は、ピグテールを介して図示しない電源と電気的に接続されており、コンミテータ１３には、ピグテールとブラシ１９を介して外部電源から電力が供給される。
【００２１】
減速部Ｒのギヤハウジング１６内には、回転軸５の右端部とウォームホイール２２等が収容されている。ギヤハウジング１６内には、回転軸５の中央部を回転自在に支持する軸受２３が固定されている。回転軸５の先端部には、ウォーム２４が形成されている。ウォーム２４は、ウォームホイール２２と噛合している。ウォームホイール２２は、出力軸２５に固定されている。モータ部Ｍが作動し回転軸５が回転すると、その回転はウォーム２４からウォームホイール２２に伝達され、出力軸２５が回転する。出力軸２５は、図示しないリンク機構を介してワイパアームと接続されており、出力軸２５の回転に伴いワイパアームが所定の払拭動作を行う。
【００２２】
一方、ワイパモータ１ではさらに、マイナス側のブラシ１９とマグネット４との間に伝熱線（伝熱部材：加熱手段）２６が設けられている。伝熱線２６は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の良い金属にて形成されており、ブラシ１９の熱が伝熱線２６を介してマグネット４に伝わるようになっている。従来のモータでは、冷却部材を付与してマグネットの温度上昇を抑制していたのに対し、ワイパモータ１は、これとは逆にブラシ１９で発生する熱を利用してマグネット４を積極的に暖める。図２はマグネット温度と回転数の関係を示すグラフであり、図２に示すように、マグネット温度が高いほどマグネット４の磁束低下量が大きくなり、モータ回転数は高くなる。このため、高負荷・飽和温度時におけるモータ回転数は加熱と共に大きくなり、回転数の増加分ΔＮがさらに大きくなる。
【００２３】
図３は、加熱処置を行った場合のトルクと回転数および電流量との関係を示す説明図である。図３に示すように、加熱処置を行うと、高負荷時にモータ温度が上昇したとき、モータの回転数特性は太い実線のように変化する。つまり、高負荷時におけるΔＴｑはそのままにΔＮ側がより大きくなり（Ｒ→Ｓ２）、回転数の特性線図の傾きが、無処置の場合（図７の破線：図３にも破線にて表示）よりも急になる。このため、動作点トルク範囲の高トルク点Ｈにおいても、回転数が常温時からほとんど低下しない（図７のＺ部）。したがって、高負荷時にマグネット４を加熱することにより、アーマチュアコイル７の温度が上昇した場合であっても、動作点トルクの範囲内において所望の回転数を維持することが可能となる。
【００２４】
図４は、動作点の違いによる回転数変化を示す説明図であり、（ａ）は無処置の場合、（ｂ）は加熱処置を施した場合をそれぞれ示している。図４（ａ）に示すように、無処置の場合は、動作時間が長くなりモータ温度が上がると、高トルク域にて回転数が低下する。これに対し、本発明のような加熱処置を行ったモータでは、図４（ｂ）から分かるように、動作時間が長くなっても高トルク域の回転数低下が生じず、所望の回転数が確保される。
【００２５】
また、本発明者らの実験によれば、図３のようなＴ−Ｎ（トルク−回転数）線図において、Ｔ−Ｎ線が交差するトルク位置（図３,７,８のＫ点）は、アーマチュアコイル７とマグネット４の温度が同じときが最も高く（高トルク側：図３において右側）、温度差が開くと低下する傾向を示すことが分かった。これは、無処置の場合と加熱処置を施した場合、あるいは、種々のモータ仕様においても共通した傾向であり、マグネット温度とコイル温度が共に５０°ＣのときＫ点が最も高いトルク位置となる。一方、温度差が生じると急激にＫ点のトルクが低下し、高トルク点Ｈにて回転数差が生じ飽和温度時の回転数低下が大きくなる。ただし、マグネット温度が高くなればなるほど、温度差による低下度合がなだらかになる。
【００２６】
そこで、ワイパモータ１では、伝熱線２６によってブラシ１９の熱をマグネット４に伝え、モータ内の雰囲気温度に合わせてマグネット４を加温する。これにより、アーマチュアコイル７とマグネット４の温度差が小さく抑えられ、Ｋ点が高トルク点Ｈに近づき、回転数の低下が抑えられる。なお、本発明者らの実験では、コイル温度とマグネット温度を同じにできれば、１５０°Ｃ程度までマグネット温度が上昇しても回転数低下なく作動した。
【００２７】
このように、ワイパモータ１では、マグネット４の加熱により、飽和温度時における動作点トルク範囲内の回転数低下を、冷却処置を付した場合と同じ、若しくはそれ以上に抑えることできる。この場合、加熱はモータ内の熱を利用できることから、冷却よりも容易であり、種々の冷却部材を用いることなく、回転数特性の改善を図ることが可能となる。したがって、回転数特性を改善させつつ、冷却部材を削減できる分、モータの製造コストを低減させることが可能となる。
【００２８】
また、動作点トルクの最大領域にて連続作動させた場合の温度上昇に耐える部材を選定すれば、温度上昇を気にすることなく、フレーム等の周辺部材やギヤハウジング１６、磁路形成部分を除いたモータハウジング２の一部などを樹脂化することも可能となる。これにより、モータをさらに軽量化することが可能となると共に、ギヤハウジング１６のアルミダイキャスト金型やモータハウジング用のトランスファー金型を樹脂金型に一本化でき、金型投資の抑制や材料費削減など、更なるコスト低減を図ることも可能となる。
【００２９】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２として、マグネットをヒータにて直接加熱する形の電動モータを使用したワイパモータについて説明する。図５は、本発明の実施の形態２であるワイパモータ３１の構成を示す断面図である。なお、実施の形態１のワイパモータ１と同様の部材、部分については、同一の符号を付しその説明は省略する。
【００３０】
図５のワイパモータ３１では、マグネット４の加熱手段として、実施の形態１のワイパモータの伝熱線２６に代えて、ヒータ３２が設けられている。ヒータ３２は、４個の各マグネット４に隣接して４個配置されており、外部のモータ制御装置３３に接続されている。また、ワイパモータ３１のモータハウジング２内には、マグネット４の温度を検知するマグネット温度センサ（第１温度センサ）３４と、アーマチュアコイル７の温度を検知するコイル温度センサ（第２温度センサ）３５が設けられている。各温度センサ３４,３５の検出値はモータ制御装置３３に送られ、モータ制御装置３３は、両温度センサ３４,３５の検出値に基づいてヒータ３２を制御する。
【００３１】
図６は、モータ制御装置３３の制御系の構成を示すブロック図であり、本発明のモータ制御方法も当該モータ制御装置３３にて実施される。図６に示すように、モータ制御装置３３は、モータ部Ｍを駆動するためのモータ駆動制御部３６と、マグネット４の加熱状態を調整するヒータ制御部（加熱手段制御部）３７を有している。モータ駆動制御部３６は、図示しない電流センサの検出値に基づいてモータ負荷を算出し、アーマチュアコイル７への電流供給量を制御する。ヒータ制御部３７は、マグネット温度センサ３４の検出値とコイル温度センサ３５の検出値を比較する検出温度比較部４１と、検出温度比較部４１の比較結果に基づいてヒータ３２の加熱を行うヒータ加熱指令部４２とを備えている。
【００３２】
このようなワイパモータ３１では、検出温度比較部４１にて、マグネット４の温度とアーマチュアコイル７の温度を比較して両者の差を検出する。ヒータ加熱指令部４２は、検出温度比較部４１における検出結果（マグネット４とアーマチュアコイル７の温度差）に基づいて、ヒータ３２の加熱を行うか否かを判断し、両者の温度差が小さくなるように、ヒータ３２の作動状態を決定する。すなわち、ヒータ加熱指令部４２は、両温度センサ３４,３５の検出値の比較結果からヒータ３２の最適加熱量を算出し、アーマチュアコイル７とマグネット４の温度差が小さくなるようにヒータ３２に適宜電流を供給する。
【００３３】
前述のように、Ｔ−Ｎ線の交差位置（Ｋ点）は、アーマチュアコイル７とマグネット４の温度が同じときが最も高い。そこで、ワイパモータ３１では、モータ制御装置３３により、アーマチュアコイル７とマグネット４の温度差が小さくなるようにマグネット４が加熱される。これにより、アーマチュアコイル７とマグネット４の温度差を制御的に小さくでき、回転数の低下をより高精度に抑えることが可能となる。
【００３４】
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、伝熱部材として伝熱線２６を用いたが、伝熱部材は線状の部材には限られず、板（プレート）状の部材を伝熱用に用いることも可能である。また、伝熱線２６を設けることなく、マイナス側ブラシのピグテールなどのマイナス配線をマグネット４に接触させるようにしても良い。このように、伝熱線を用いることなく、マイナス配線を利用することにより、さらに構成部材を削減することが可能となる。
【００３５】
さらに、マグネット４の加熱に際し、モータハウジング２内の内部空間４３を気密状の閉空間とし、ブラシ１９やアーマチュアコイル７にて発生する熱により、マグネット４を加熱するようにしても良い。加えて、前述の実施形態では、温度センサ３４,３５の検出値に基づいてヒータ３２を制御する構成を示したが、マグネット４の温度のみでヒータ３２を制御しても良い。また、温度センサ３４,３５を設けることなく、加熱手段としてヒータ３２のみを設ける構成としても良い。
【００３６】
一方、本実施の形態では、ギヤハウジング１６をアルミダイキャストにて形成した例を示したが、前述のように、これを合成樹脂化することも可能である。ギヤハウジング１６を合成樹脂にて形成することにより、内部空間４３の熱がモータ内に篭もりやすくなり、よりマグネット４が加熱されやすくなる。
【００３７】
なお、前述の実施形態では、ワイパモータ１,３１のモータ部Ｍにブラシ付きのモータを用いたものを示したが、本発明は、ブラシ付きモータのみならず、ブラシレスモータにも適用可能である。その場合、前述のワイパモータ１,３１と異なり、ロータ側にマグネット、ステータ側にアーマチュアコイルを配し、ブラシは備えない構成となる。このため、ブラシレスモータでは、伝熱線２６のような加熱手段ではなく、マグネットを直接加熱するヒータや、内部空間の気密化などが加熱手段となる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明によるモータ制御装置・制御方法は、ワイパモータのみならず、ＥＶ駆動用モータや車両駆動用モータのような車載モータなど、動作点トルク範囲の広いモータに広く適用可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１    ワイパモータ
２    モータハウジング
３    ロータ
４    マグネット
５    回転軸
６    アーマチュアコア
７    アーマチュアコイル
８    軸受
９    金属板
１０    ステータ
１１    スロット
１２    巻線
１３    コンミテータ
１４    コンミテータ片
１５    ライザ
１６    ギヤハウジング
１７    ホルダステー
１８    ブラシホルダ
１９    ブラシ
２１    スプリング
２２    ウォームホイール
２３    軸受
２４    ウォーム
２５    出力軸
２６    伝熱線
３１    ワイパモータ
３２    ヒータ
３３    モータ制御装置
３４    マグネット温度センサ
３５    コイル温度センサ
３６    モータ駆動制御部
３７    ヒータ制御部
４１    検出温度比較部
４２    ヒータ加熱指令部
４３    モータ内部空間
Ｍ      モータ部
Ｒ      減速部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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