(57)【要約】【課題】故障発生、振動騒音の少ない小型、安価な回転電機を提供する。【解決手段】ヨークと、このヨークの内壁面に固定された６極の永久磁石で構成された界磁部と、このヨーク内に回転自在に設けられたシャフトと、このシャフトに固定され、コアの外周面に軸線方向に延びて形成された偶数スロットに導線が一重波巻方式により巻回されて構成された巻線を有するアマチュアと、前記シャフトの端部に固定され、フックを有する複数個のセグメントから構成された整流子と、この整流子の表面に当接した２個又は４個のブラシからなる回転電機構成とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨークと、このヨークの内壁面に固定された６極の永久磁石で構成された界磁部と、このヨーク内に回転自在に設けられたシャフトと、このシャフトに固定され、コアの外周面に軸線方向に延びて形成された偶数スロットに導線が一重波巻方式により巻回されて構成された巻線を有するアマチュアと、前記シャフトの端部に固定され、フックを有する複数個のセグメントから構成された整流子と、この整流子の表面に当接する２個又は４個のブラシとを備えた回転電機。
【請求項２】
スロット数を  （３Ｎ±１）  ただし、Ｎは２以上の整数  とした請求項１の回転電機。
【請求項３】
永久磁石を希土類磁石または希土類ボンド磁石とした、請求項１の回転電機。
【請求項４】
スロット数２２で、巻線のピッチを３、コイル間ピッチを７とした、請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
スロット数２６で、巻線のピッチを４、コイル間ピッチを９とした、請求項１に記載の回転電機。
【請求項６】
スロット数２０で、巻線のピッチを３、コイル間ピッチを７とした、請求項１に記載の回転電機。
【請求項７】
スロット数２８で、巻線のピッチを４、コイル間ピッチを９とした、請求項１に記載の回転電機。
【請求項８】
請求項１若しくは請求項４乃至７のいずれか一項に記載の回転電機を使用した電動パワーステアリング装置用モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンタ等事務機器、空調用ブロアを始めとする車両搭載機器の駆動力用回転電機に係り、特に車両のハンドルの操作力をアシストする電動パワーステアリング装置用モータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ;Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）は、車両（自動車）に搭載され、車載バッテリを用いて電動モータによって操舵アシストを行う装置として、直接的なエンジンの駆動損失がなく、且つ、電動モータが操舵アシスト時にのみ起動されるため、走行燃費の低下を抑えることができるものとして広く採用されている。
【０００３】
このような電動パワーステアリング装置に使用され操舵補助力を発生する電動モータは、小形化、高トルク化が求められるが、それに対処するために多極(２極を超えるもの)化した場合に、スロット数や巻線方法とブラシ数との組合せ（コンビネーション）において、トルクリップルが大きくなったり、作動音が発生したりといった問題が生じていた。
【０００４】
例えば、多極で、奇数スロット、重巻方式の場合、アマチュア内の循環電流発生に起因する整流作用の悪化で、整流火花の増加に伴う、ブラシ及びコンミテータ（整流子）の高温化、寿命低下、トルクリップルの増加、並びにこれら複合作用により、作動音が大きくなるといった問題点があった。
【０００５】
この問題の改善の先行技術としては、特許文献１（特開２００５−２７５００号公報）がある。
【０００６】
特許文献１では、「４極、２２スロット、重巻、４ブラシ」、「４極、２６スロット、重巻、４ブラシ」、「６極、２１スロット、重巻、６ブラシ」、「６極２７スロット、重巻、６ブラシ」の組合せ構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２７５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１で開示される「４極、４ブラシ、重巻」の場合、並列２回路となるため、ブラシ間に流れる循環電流を防止するための電流アンバランス対策から、図８に示すように均圧線（均圧部材）が必要で、製造コストがかかるという欠点があった。さらに、均圧線に大電流が流れると、線が発熱により絶縁が破壊し、均圧線同士が接触し、コイル間が短絡し、コイルで発生する誘起電圧がショートし、電磁ブレーキが発生し、ＥＰＳの場合ハンドル(ステアリングホイール)操作が異常に重くなる可能性があるという問題があった。
【０００９】
また、特許文献１の提案の「６極、重巻」の場合、ブラシ数を６とする必要があり、モータコスト増の要因となってしまう。
さらに、特許文献１の提案の「４極、２２スロット、重巻、４ブラシ、均圧線付き」のコンビネーションでは、フェライト磁石が使われているが、フェライト磁石の高性能化により、ヨークの磁束密度が飽和しないためには厚くする必要があり、モータが大きく・重くなるといった未解決な課題がある。
【００１０】
さらにまた、特許文献１ではフェライト磁石の使用を前提としているが、希土類磁石を採用して４極で構成するためには、磁気回路の確保からティース・ヨーク幅を広くする必要があり、スロット面積の確保が困難で、同じ巻線抵抗の設計が困難から、同じ始動トルクの設計ができない、また巻線での銅損による発熱が高くなるという問題があった。さらに「４極、一重波巻」では、奇数スロット数でしか成立せず、奇数スロットの場合、ロータ(アマチュア)への加振力が発生し、振動・騒音が悪化するという問題が生じ、また「６極、二重波巻」の場合にも製造コストのかかる均圧線が必要である、といった様な未解決な課題もある。
【００１１】
本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、６極、偶数スロット（例えば２２または２６スロット）、一重波巻、４ブラシとしたコンビネーションのモータ構成とすることで、均圧線無しで振動騒音の少ない小型、安価なブラシモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の回転電機は、ヨークと、このヨークの内壁面に固定された６極の永久磁石で構成された界磁部と、このヨーク内に回転自在に設けられたシャフトと、このシャフトに固定され、コアの外周面に軸線方向に延びて形成された偶数スロットに導線が一重波巻方式により巻回されて構成された巻線を有するアマチュアと、前記シャフトの端部に固定され、フックを有する複数個のセグメントから構成された整流子と、この整流子の表面に当接する４個又は２個のブラシとを備える。
【００１３】
また、請求項１の様な回転電機を実施する場合には、例えば請求項２に記載した発明のように、Ｎを２以上の整数として、スロット数を（３Ｎ±１）とする。
この様な請求項１に記載した回転電機を実施する場合に、例えば請求項３に記載した発明の様に、永久磁石を希土類磁石または希土類ボンド磁石とする。
【００１４】
また、請求項１の様な発明を実施する場合に、例えば請求項４に記載した発明の様に、スロット数２２で、巻線のピッチを３、コイル間ピッチを７とする。
また、同様に請求項１の様な発明を実施する場合に、例えば請求項５に記載した発明の様に、スロット数２６で、巻線のピッチを４、コイル間ピッチを９とする。
また、請求項１の様な発明を実施する場合に、例えば請求項６に記載した発明の様に、スロット数２０で、巻線のピッチを３、コイル間ピッチを７とする。
或いはまた、請求項１の様な発明を実施する場合に、例えば請求項７に記載した発明の様に、スロット数２８で、巻線のピッチを４、コイル間ピッチを９とする。
【００１５】
本発明の電動パワーステアリング装置用モータを実施する場合に、例えば請求項８に記載した発明の様に、請求項１及び請求項４乃至７に記載の回転電機を使用する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、６極化により１極あたりの総磁束は４極の２／３となるため、ヨーク部の厚さを２／３にすることができ、一重波巻で均圧線が不要なため、均圧線に係わる故障・不具合が皆無となる。更に重巻で６極とする場合には６ブラシとする必要があるのに対し、本発明の波巻の場合、２ブラシ・４ブラシどちらも成立して選択可能である。加えて、本発明では偶数スロットとしているため、軽量・小型・低コストに加えて、モータ振動・騒音の少ない回転電機が提供できる。よって、電動パワーステアリング用モータとして最適な、均圧線に係る故障・不具合が皆無の、モータ振動・騒音の少ない小形、低コストの回転電機とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の回転電機の軸方向断面図である。
【図２】ブラシとコンミテータとの関係を説明するための斜視図である。
【図３】本発明に係る６極、２２スロット、４ブラシ実施例で、９コイル分の巻線分布図を示す。一重波巻きで、コイルピッチＰ１は３スロット、渡り線ピッチＰ２は４スロット、コイル間ピッチＰ３は７である。
【図４】６極、２２スロット、４ブラシ実施例で、全コイルの巻線分布図を示す。図３同様に、一重波巻きで、コイルピッチＰ１は３スロット、渡り線ピッチＰ２は４スロット、コイル間ピッチＰ３は７である。
【図５】６極、２６スロット、４ブラシ実施例で、９コイル分の巻線分布図を示す。一重波巻きで、コイルピッチＰ１は４スロット、渡り線ピッチＰ２は５スロット、コイル間ピッチＰ３は、９である。
【図６】６極、２６スロット、４ブラシ実施例で、全コイルの巻線分布図を示す。図５同様に、一重波巻きで、コイルピッチＰ１は４スロット、渡り線ピッチＰ２は５スロット、コイル間ピッチは９である。
【図７】本発明の回転電機を適用可能な電動パワーステアリング装置のブロック構成図の一例である。
【図８】従来の回転電機の内部構造の断面図であり、（ａ）は、回転電機の軸方向断面図、（ｂ）は、図６（ａ）の要部拡大図である。図中の、符号２２、２４は、均圧部材を示している。
【図９】本発明の６極、一重波巻、４ないし２ブラシ構成において成立するスロット数検討の結果表（６極一重波巻可能スロット数）である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明を説明する。回転電機(電動モータ)１は、図１に示すように、ほぼ円筒状に形成されたヨーク２と、ヨーク２の内周壁に固定された６極の永久磁石（マグネット）３と、ヨーク２内に配置されて、その両端側が軸受４、５に回転自在に支持された出力軸６と、出力軸６に固定された円環状のコア７を有するアマチュア８と、アマチュア８に隣接して出力軸６に固定されたコンミテータ（整流子）９と、コンミテータ９に相対向して配置された、複数のブラシ１０を備えて構成されている。本発明で、磁石を６極化している理由は、１極あたりの総磁束を４極の場合の２／３とすることができるため、ヨーク２の厚さを４極比で２／３にすることができるためである。
【００１９】
また、コンミテータ９は、図２に示すように、複数個のセグメント１１を備えている。各セグメント１１は、出力軸６の軸線方向に沿って形成されたスリット１２によって分離されて、出力軸６の周方向に沿って配置されている。複数のブラシ１０はいずれかのセグメント１１と接触(当接)するように配置されている。さらに、各セグメント１１とコイル巻線１３は、導線１４によって電気的に接続され、コンミテータ９側の導線１４は、各セグメント１１に設けられたフック１５により電気的に接続されるとともに繋止される。
【００２０】
一方、アマチュア８のコア７には、図示しないが、出力軸６の軸線方向に沿って従来技術として一般的な偶数のスロットが円周方向に沿って一定間隔を保って形成されており、各スロットには、コイル巻線１３が形成されている。
【００２１】
前述した複数のブラシ１０の個数について、巻線方式を重巻とすると任意のスロット数とすることが可能であるが、極数と同数のブラシが必要となる。一方、巻線方式を、波巻とすると、２ブラシまたは４ブラシの選択使用が可能となる。同じ大きさ電流を流す場合で２ブラシと４ブラシを比較すると、同極性の電流を分担できる４個ブラシの方が電流密度を小さくできることから、発熱をより小さくすることができる。また、同じ波巻でも二重（多重）波巻では、均圧線が必要だが、一重波巻ではそれが不要で、低コストにできる。
【００２２】
本発明では、上述したような、必要ブラシ数、および均圧線（均圧部材）を必要としないことによる信頼性向上、低コスト化及び小形化を目的として、６極磁石、一重波巻で、ブラシ数２個ないし、４個で構成された回転電機の有用性を見出した。
【００２３】
本発明についての、６極の磁石、一重波巻の巻線（６極・波巻の場合は、ラジアル方向全周３６０度で、３コイルが収まる）を前提とした回転電機の構成を実施可能性検討から、図９に示すような、Ｎを２以上の整数として、（３Ｎ±１）個となるスロット数を導き出している。図９に於いて、コイル間ピッチ（Ｎ）が、７、９、及び１１の場合、一重波巻スロット数は偶数となり、コイル間ピッチ（Ｎ）が、８、１０の場合の奇数スロットなる。本発明では、小形、低コストであると同時に、低振動、低騒音の回転電機の提供を目的としているため、上述した（３Ｎ±１）個を満たすスロット数であっても、機械構造的に、偶数スロット比で、より振動の発生の程度が大きくなることが不可避な奇数スロットは使用しない。
【００２４】
図３に、本発明の第一実施形態としての、６極、２２スロット、一重波巻き、４ブラシの実施例の９コイル分の巻線分布図を示す。ここでは、コイルピッチＰ１は３スロット、渡り線ピッチＰ２は４スロットであり、コイル間ピッチＰ３は、Ｐ１＋Ｐ２＝３＋４＝７である構成を表わしている。ＮまたはＳと表示されているのは、回転電機の界磁を構成する磁石であり、Ｎ極３個、Ｓ極３個の合計６個（極対数３個）の磁石である。またブラシとコンミテータは離れて表記してあるが、実際の回転電機ではブラシに与えられた所定の押圧力で、コンミテータに当接している。正（＋）極性のブラシから流れ込む電流は、コミテータ（セグメント）を介して導線から各コイル巻線を経て、別の導線からコミテータ（セグメント）を介して負（−）極性のブラシから流れ出る。通電された各コイル巻線は、その時点の電流の向き・大きさと、界磁の向き・大きさ（強さ）に応じた力を受け、回転電機として出力軸にトルクを発生する。
【００２５】
上述の通り、回転電機としての発生トルクは、界磁の強さに関連（コイル巻線に直交し貫く磁界に比例）するため、界磁を構成する磁石に、一般的なフェライト磁石と比較して残留磁束密度の強力な、サマリウムコバルト磁石やネオジウム磁石に代表される希土類磁石や、サマリウムとコバルトの化合物または、ネオジウム化合物の磁石粉末を樹脂で固着する粉末結合法を使った希土類ボンド磁石を使用することで、よりトルクを増大させたり、トルクを同等とする場合には、磁石寸法をコンパクトにすることが可能となる。図４に、上述した第一実施形態としての構成に於ける、全コイル分の巻線分布図を示す。
【００２６】
図５に、本発明の第二実施形態としての、６極、２６スロット、一重波巻き、４ブラシの実施例の９コイル分の巻線分布図を示す。コイルピッチＰ１は４スロット、渡り線ピッチＰ２は５スロットであり、コイル間ピッチＰ３は、Ｐ１＋Ｐ２＝４＋５＝９である構成を表わしている。その他は、第一実施形態で説明した通りである。図６に、上述した第二実施形態としての構成に於ける、全コイル分の巻線分布図を示す。
【００２７】
図７に、本発明の回転電機をその電動モータ１として使用するのに好適な、電動パワーステアリング装置の一般的な構成例を示す。この電動パワーステアリング装置において、操向ハンドル１０１のコラム軸１０２は減速ギア１０４、ユニバーサルジョイント１０５ａ，１０５ｂ、ピニオンラック機構１０７を経て操向車輪のタイロッド１０８に結合されている。コラム軸１０２には、操向ハンドル１０１の操舵トルクを検出するトルクセンサ１０３が設けられており、操向ハンドル１０１の操舵力を補助するモータ１が減速ギア１０４を介してコラム軸１０２に連結されている。この電動パワーステアリング装置を制御する電子制御回答(エレクトリックコントロールユニット＝ＥＣＵ）１１３には、バッテリ１１４から電力が供給されると共に、イグニションキー１１１からイグニションキー信号が入力される。該電子制御回路１１３は、トルクセンサ１０３で検出された操舵トルク値Ｔと車速センサ１１２で検出された車速Ｖとに基づいて、図示しないアシストマップ等を用いて、同様に図示しないアシスト指令の操舵補助指令値Ｉの演算を行い、演算された操舵補助指令値Ｉに基づいてモータ２０に供給する電流ｉを制御する。
電子制御回路１１３は、主としてＣＰＵ（又はＭＰＵやＭＣＵ）で構成される。
【００２８】
この電動パワーステアリング装置用に本発明の回転電機を使用することにより、均圧部材のトラブルフリーで、低コスト化が図れる。また、この電動パワーステアリング装置用に本発明の４ブラシ回転電機を使用した場合には、１つのブラシ１０がオープン故障しても、電動モータの特性に大きな影響を与えることなく、フェールセーフの観点からも好適である。以上のように、６極、一重波巻、４ブラシで構成された回転電機の、電動パワーステアリング装置用モータへの使用は、その故障低減、低コスト化面で有利である。
【００２９】
更に、前述した電動パワーステアリング装置は、電動モータの装着部位によってコラムアシスト型やピニオンアシスト型に分類され、その型式に応じてステアリングシャフトやステアリングギアピニオンなどに対してアシストが行われる。前述したように本発明では、機械構造的に、偶数スロット比で、より振動の発生の程度が大きくなることが不可避な奇数スロットは適用除外としているため、電動パワーステアリング装置の全形式の中でも電動モータがより操向ハンドル１０１に近接しているコラムアシスト型への使用にも最適で、操向ハンドル１０１を操作する運転手に快適な操舵フィーリングを提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、プリンタ等事務機器、空調用ブロアを始めとする車両搭載機器の駆動動力用回転電機に係り、特に車両のハンドルの操作力をアシストする電動パワーステアリング装置用電動モータとして好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１      回転電機 (電動モータ)
２      ヨーク
３      永久磁石（マグネット）
４      軸受
５      軸受
６      出力軸
７      コア
８      アマチュア
９      コミテータ（整流子）
１０    ブラシ
１１    セグメント
１２    スリット
１３    巻線
１４    導線
１５    フック
１０１    操向ハンドル
１０２    軸（ステアリングシャフト）
１０３    トルクセンサ
１０４    減速ギア
１０５ａ    ユニバーサルジョイント
１０５ｂ    ユニバーサルジョイント
１０７    ピニオンラック機構
１０８    タイロッド
１１１    イグニッションスイッチ
１１２    車速センサ
１１３    電子制御回路（ＥＣＵ）
１１４    バッテリ
Ｐ１    巻線ピッチ
Ｐ２    渡り線ピッチ
Ｐ３    コイル間ピッチ
【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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【図９】
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