(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転中心軸となるシャフトと、該シャフトに固定されて共に回転可能に支持される電機子と、該電機子の外側を被覆するヨークハウジングと、該ヨークハウジングの内壁面において前記電機子の外側面に対向するように配置された複数の磁石と、を備えたモータであって、
前記磁石は、軸方向と垂直な面での断面において、両端部と該両端部の周方向にて挟まれた中央部からなり、
前記中央部の内周を規定する曲線が前記シャフトの回転中心軸が通る点と同心の円弧で形成された同心部により構成されていて、
前記両端部の内周を規定する曲線が前記シャフトの回転中心軸が通る点よりも前記磁石から離れた中心を有する偏心部により構成されていることを特徴とするモータ。
【請求項２】
前記磁石の前記中央部の外周を規定する曲線が前記ヨークハウジングの内壁面を規定する円弧よりも大きな円弧を有し、前記磁石の外周と前記ヨークハウジングの内壁面とは２点で接触することを特徴とする請求項１に記載のモータ。
【請求項３】
前記電機子は、径方向に放射状に延びる複数のティースと、前記ティース間に掛け渡される巻線と、を有して構成されており、
前記巻線は、分布巻によって巻回されており、
軸方向と垂直な面での断面において、
前記磁石の内壁面の周方向長さは、前記巻線が跨ぐ複数の前記ティースの端部を繋ぐ円弧長と同等の長さに設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
【請求項４】
軸方向と垂直な面での断面において、
前記偏心部の内壁面の周方向長さは、前記ティースの端部１個分の周方向長さと同等の長さに設定されていることを特徴とする請求項３に記載のモータ。
【請求項５】
コラム型電動パワーステアリング装置において、ステアリングコラムに配設され、ステアリングシャフトの運動をアシストすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はモータに係り、特に、界磁用のマグネットを備えたモータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、モータには、界磁用のマグネットが備えられており、電流方向が切替わる電機子との相互作用によりロータの回転運動が実行されるように構成されている。
例えば、筒状のステータ内壁に界磁用のマグネットが貼付され、その内部に配設された電機子がロータとして回転運動を行うようなモータがある。
一方、昨今、上記のようなモータにおいて、コギングトルクを低減する技術が望まれている。
このような要望を受け、コギングトルクを低減するための一案として、界磁用マグネットを改良した技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、界磁用の永久磁石を備えた直流モータが開示されている。
この直流モータに使用されている界磁用の永久磁石は、ヨークの内壁面に固定されており、その内部にアマチュア（電機子）が配置される。
つまり、永久磁石とティース部の径方向端部とが対面するように構成されており、この永久磁石との相互作用によりアマチュア（電機子）が回転するように構成されている。
そして、この永久磁石は、周方向における中央部が、周方向端部よりも厚さ（径方向の距離）が大きくなるように構成されている。
具体的には、平面視形状（軸方向から見た形状）において、所定の円中心（モータの中心軸と一致）を中心とする円弧と一致する外周形状と、当該所定の円中心とは異なる点を中心とする円弧と一致する内周形状と、を有するように形成された永久磁石が使用されている。
これにより、アマチュア（電機子）の回転中心と永久磁石の内周中心とをオフセットしてコギングトルクを低減するとともに、モータの小型化が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−０７７５９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、マグネットの内周形状の中心と外周形状の中心とを偏心させることにより、コギングトルクを低減することが行われている。
しかしながら、このような構成とした場合、マグネットの周方向中央部分の厚み（径方向の距離）が大きくなり、このため、エアギャップが大きくなる。この結果、磁束量を有効に使用できないという問題点があった。
このため、コギングトルクを低く維持しつつも、磁束量の損失を少なくするための技術の開発が望まれていた。
つまり、コギングトルクの低い高出力小型モータを得る技術の開発が望まれていた。
【０００６】
本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、コギングトルクを低減させるとともに、高出力を確保することが可能な直流モータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題は、本発明に係る直流モータによれば、回転中心軸となるシャフトと、該シャフトに固定されて共に回転可能に支持される電機子と、該電機子の外側を被覆するヨークハウジングと、該ヨークハウジングの内壁面において前記電機子の外側面に対向するように配置された複数の磁石と、を備えたモータであって、前記磁石は、軸方向と垂直な面での断面において、両端部と該両端部の周方向にて挟まれた中央部からなり、前記中央部の内周を規定する曲線が前記シャフトの回転中心軸が通る点と同心の円弧で形成された同心部により構成されていて、前記両端部の内周を規定する曲線が前記シャフトの回転中心軸が通る点よりも前記磁石から離れた中心を有する偏心部により構成されていることにより解決される。
【０００８】
このように本発明においては、磁石の軸方向と垂直な面での断面において、磁石の中央部の内周を規定する曲線がシャフトの回転中心軸が通る点と同心の円弧で形成された同心部により構成され、両端部の内周を規定する曲線がシャフトの回転中心軸が通る点よりも磁石から離れた中心を有する偏心部により構成される。
つまり、同断面において、両端部の内周を規定する曲線が偏心部となるように構成され、これら両端の偏心部間の内周を規定する曲線が同心部となるよう構成されたものである。
このように、両端部に偏心部を形成することにより、磁気回路的境界部の切り替えを緩やかにして磁気抵抗の断続的変化を抑え、コギングトルクを低減することができる。しかしながら、全ての部分を偏心した円弧で形成すると、エアギャップが広がることとなるため、磁束量を有効に利用することができない。
このため、本発明においては、同断面において、中央部に同心部を形成したため、エアギャップを減少させることができ、よって、磁束量を最大限に確保することができる。
【０００９】
また、具体的な構成としては、請求項２に記載のように、前記磁石の中央部の外周を規定する曲線が前記ヨークハウジング内壁面を規定する円弧よりも大きな円弧を有し、前記磁石の外周と前記ヨークハウジングの内周面とは２点で接触すると好適である。
また、具体的な構成としては、請求項３に記載のように、前記電機子は、径方向に放射状に延びる複数のティースと、前記ティース間に掛け渡される巻線と、を有して構成されており、前記巻線は、分布巻によって巻回されており、軸方向と垂直な面での断面において、前記磁石の内壁面の周方向長さは、前記巻線が跨ぐ複数の前記ティースの端部を繋ぐ円弧長と同等の長さに設定されていると好適である。
更に具体的な適用構成として、請求項４に記載のように、軸方向と垂直な面での断面において、前記偏心部の内壁面の周方向長さは、前記ティースの端部１個分の周方向長さと同等の長さに設定されていると好適である。
このように構成されていると、磁石の界磁範囲にバランス良くティースを配置することが可能となり、コギングトルクの低減と磁束量の最大限確保という上記効果をより一層高めることができる。
【００１０】
また、本発明に係るモータは、コラム型電動パワーステアリング装置において、ステアリングコラムに配設され、ステアリングシャフトの運動をアシストする用途に好適に使用されるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るモータによれば、軸方向と垂直な面での断面において、磁石を、同心部（シャフトの回転中心と同心の内壁で構成される部分）と、偏心部（シャフトの回転中心より離れた中心を有する内壁で構成される部分）と、により構成した。
そして、磁石の周方向両端に偏心部を各々配置し、それら偏心部の間を同心部とする構成とした。
このような構成により、両端部の偏心部の存在によりコギングトルクを低減させるとともに、中央部の同心部により、磁束量を最大限有効に活用することができる。
以上のように、本発明によれば、コギングトルクを低減させるとともに、高出力を確保することが可能となり、よって、小型高出力モータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係るコラム型電動パワーステアリング装置を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るモータの概略構成を示す説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】図３のＢ部分拡大図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るモータの巻線状態を平面状に展開した模式図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る磁石とティースの位置関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、低コギングトルクを維持しつつも、高出力を確保することが可能なモータを提供することによる。
【００１４】
図１乃至図６は、本発明の一実施形態を示すものであり、図１はコラム型電動パワーステアリング装置を示す説明図、図２はモータの概略構成を示す説明図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図３のＢ部分拡大図、図５はモータの巻線状態を平面状に展開した模式図、図６は磁石とティースの位置関係を示す模式図である。
【００１５】
＜電動パワーステアリング装置Ｓについて＞
本実施形態は、本発明に係るモータＭをコラム型の電動パワーステアリング装置Ｓに適用した例について説明する。
最初に、図１により、本実施形態に係るコラム型の電動パワーステアリング装置Ｓについて説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置Ｓは、コラム型が採用されており、ステアリングホイールＳ２、ステアリングシャフトＳ３、自在継手Ｓ４、インターミディエイトＳ５、ラックＳ６、ピニオン軸Ｓ７、タイロッドＳ８、を有して構成されている。
ステアリングホイールＳ２の基端部には、ステアリングシャフトＳ３が連結されており、このステアリングシャフトＳ３の他端部には、自在継手Ｓ４を介して、インターミディエイトＳ５が連結されている。
【００１６】
ステアリングシャフトＳ３は、入力軸Ｓ３ａと、出力軸Ｓ３ｂと、を有して構成されており、円筒状の入力軸Ｓ３ａ内に、出力軸Ｓ３ｂの一部が貫挿されている。
入力軸Ｓ３ａの基端部には、ステアリングホイールＳ２が固定され、出力軸Ｓ３ｂの先端部には、自在継手Ｓ４が連結されている。
また、入力軸Ｓ３ａと出力軸Ｓ３ｂの間には、図示しないトーションバーが設けられ、入力軸Ｓ３ａの回転に追従して出力軸Ｓ３ｂを回転させるようになっている。
【００１７】
そして、ステアリング操作に基づく、回転及び操舵トルクはラックＳ６及びピニオン軸Ｓ７に伝達され、ピニオン軸Ｓ７の回転によって、ラックＳ６が車幅方向に往復運動する。これにより、ラックＳ６の両端に連結したタイロッドＳ８を介して操舵輪Ｓ９の舵角が変更される。
【００１８】
ステアリングシャフトＳ３の入力軸Ｓ３ａには、ステアリングコラムＳ１０が装備されている。ステアリングコラムＳ１０には、モータＭが設けられている。このモータＭは、入力軸Ｓ３ａを回転制御してステアリング操作をする際に、ステアリングホイールＳ２に対して補助操舵力を付与する。
なお、このモータＭに関しては、本発明の主要構成であるため、後に詳述する。
【００１９】
電動パワーステアリング装置Ｓの動作について簡単に説明する。
ステアリングホイールＳ２の操作に基づいて入力軸Ｓ３ａが回転すると、出力軸Ｓ３ｂとの間にずれが生じ、このずれが図示しないトーションバーのねじれとなって現れる。つまり、出力軸Ｓ３ｂは、操舵輪Ｓ９の路面抵抗等で、入力軸Ｓ３ａの回転に対して遅れが生じて、これにより図示しないトーションバーにねじれが生じる。
そして、このトーションバーのねじれ角を図示しないトルクセンサにて検出し、入力軸Ｓ３ａ（ステアリングホイールＳ２）にかかる操舵トルクが検出され、その検出された操舵トルクに基づいて、ステアリング操作する際の補助操舵力が算出されて、モータＭが駆動制御されるよう構成されている。
【００２０】
＜モータについて＞
次いで、本発明の主要構成部分であるモータＭについて説明する。
本実施形態に係るモータＭは、所謂「ブラシ付き直流モータ」の構成を採用したものである。
本実施形態に係るモータＭは、図２に示すように、出力軸となるシャフト１と、巻線２が巻回された電機子３と、整流子４と、界磁機構を構成する磁石５と、これらを内部に収納するヨークハウジング６と、ブラシ装置７２を含むブラシホルダ７と、このブラシホルダ７が搭載されるエンドハウジング８と、を主たる構成要素として構成されている。
【００２１】
シャフト１は、軸受Ｔ，Ｔを介して回転自在にヨークハウジング６に支持されている。
また、シャフト１には、巻線２が巻回されて構成される電機子３が固定されており、その周囲には電機子３の外周を囲むように、複数の磁石５（ヨークハウジング６の内壁面に電機子３の外周側面と対向するように配設されている）が配置されている。
更に、シャフト１の出力側には整流子４もまた固定されている。
なお、磁石５は、永久磁石であり、本実施形態においては、４極（Ｎ極が２個、Ｓ極が２個の合計４個の磁石５が使用されている）の設計である。そして、複数の磁石５は、ヨークハウジング６の内周面周方向に沿って、Ｎ極とＳ極が交互となるよう等間隔に配置されている。
また、周方向に隣接する磁石５，５間には、空間Ｋ１が介在するように構成されている。この空間Ｋ１が介在することにより、異極の磁石５，５が接触することがないので、理想的な正弦波に近い磁束密度波形を得ることができる。
なお、磁石５の形状の詳細に関しては、本発明の主要構成であるため、後に詳述する。
【００２２】
整流子４は、シャフト１と一体的に回転する円筒状の部材であり、その回転方向に沿って一定間隔毎に配置された複数のセグメント４ａを備えて構成される。
この整流子４は、シャフト１の回転に伴って回転し、この回転により、ブラシ装置Ｓに搭載されるブラシ本体７２ｂと当接するセグメント４ａが順次切り替わる。そして、この切替わりにより、巻線２を流れる電流の向きが切り替わる。
【００２３】
また、電機子３はシャフト１に固定された状態で、カップ形状のヨークハウジング６により被覆されており、そのヨークハウジング６の内壁面には、電機子３の外側面と対向するように前述の磁石５が複数配設されている。
そして、前述のとおり、シャフト１の出力側には、整流子４が固定されており、この整流子４を出力側に配置した状態で、ヨークハウジング６開口部側（モータＭの出力側となる）は、ブラシホルダ６が搭載されたエンドハウジング８で閉塞されている。
なお、整流子４は、エンドハウジング８が配置された状態において、ブラシ本体７２ｂの端面と当接可能な位置に配置される。
【００２４】
＜磁石の形状について＞
次いで、図３乃至図６により、磁石５の形状と配設状態について説明する。
なお、図５は、説明のため、ハッチングを省略してある。
図３に図２のＡ−Ａ線断面図を示し、電機子３と磁石５の構成を示す。なお、本図においては、巻線２の図示を省略している。なお、巻線２の巻回状態に関しては、図５に示すものとする。
本例に係る電機子３は、２２スロット（ティース３１もまた２２個突設されている）の電機子３が使用されており、極数は上記のように４極である。
なお、巻線２は、５個のティース３１を跨ぐ分布巻が採用されており、本例においては、特に分布巻の中でも重ね巻が採用されている。本例においては、１８０°対向するダブルフライヤにて、２系統の重ね巻が実行されている。
つまり、図５に示すように、実線で示す巻線２と破線で示す巻線２とが、各々重ね巻により巻回されており、よって、実線の巻線回路と破線の巻線回路との２系統の巻線回路が構成されて、重ね巻を構成している。
【００２５】
図４により、磁石５の構造を詳細に説明する。
磁石５は、瓦型の磁石であり、軸方向と垂直な面で切断した断面形状（図２のＡ−Ａ断面図である図３及びその拡大図である図４の形状）において、中央の同心部５１と、周方向両端部の偏心部５２，５２とで構成されている。
同心部５１は、回転中心Ｏ１（回転中心軸Ｌが通る点）を中心とした内周を有する部分である。
偏心部５２，５２は、回転中心Ｏ１とは異なる位置（つまり、回転中心Ｏ１に対し、磁石５から離隔する位置）にある偏心中心Ｏ２を中心とした内周を有する両端部分である。
【００２６】
このように、構成されていることで、磁石５の中央部分にある同心部５１の厚さ（径方向の長さ）を小さくすることができるため、エアギャップが大きくなることを有効に防止することが可能となる。
このため、この同心部５１の部分で有効に磁束量を活用することが可能となる。
また、両端部分に偏心部５２，５２を形成したため、コギングトルクを低減することもまた可能となる。
つまり、磁石５は、その両端の磁束密度が高くなりやすい傾向にあるので、その両端部である偏心部５２，５２を偏心により薄くして、磁束密度の影響を小さくし、コギングトルクを低減させることとしたものである。換言すれば、磁石５は、周方向両端部に向かう程、エアギャップが大きくなっているといえる。
なお、図４、図６等に示すように、磁石５の外周（つまり、ヨークハウジング６の内壁側の円弧）の中央部分付近（つまり、５個ティース３１のうち中央の３個のティース３１をカバーする部分）は、同図において、ヨークハウジング６の内壁面を規定する円弧よりも大きな径を有する円弧として形成されており、このため、同図において、磁石５の外周とヨークハウジング６の内壁面とは２点で接触することとなる（立体的には、ヨークハウジング２と磁石５の外周面とは、２本の線での線接触となる）。
そして、これら接触点の間の空間は、接着剤塗布空間Ｋ２として機能し、当該接着剤塗布空間Ｋ２の位置にて接着剤を塗布可能である。
そして、磁石５の両端部分（つまり、５個のうち両端に配置される１個ずつのティースを各々カバーする部分）、の外周は、ヨークハウジング６の内壁面から離隔して延びる略直線状に形成されている。
【００２７】
なお、本例においては、上記の通り、巻線２は、５個のティース３１を跨ぐ重ね巻にて巻回されている。
そして、図６に示すように、本例においては、磁石５の内周径長ｔ１（円弧形状である）は、５個のティース３１の外周端を結ぶ円弧長ｔ２と整合するようになっている。
つまり、整合とは、磁石５の内周径長ｔ１において、隣接して円周上に並列する５個のティース３１外端をカバーできるように構成されている。
【００２８】
このとき、５個のティース３１の周方向両端に配置される２個のティース３１が、各々、上記の偏心部５２，５２に対面することとなる。
逆にいえば、偏心部５２の内周長ｔ１１は、１個のティース３１端部（径方向端部）をカバーできる長さに設定されており、同心部５１の内周長ｔ１２は、３個のティース３１端部を結ぶ円弧長分をカバーできる長さに設定されている。
なお、ｔ１＝２×ｔ１１＋ｔ１２である。
【００２９】
以上のように構成されているため、偏心部５２，５２の存在により、磁気抵抗をさせてコギングトルクを低減させつつも、中央の同心部５１の存在により、磁石５の周方向中央部分の厚みを減少させてエアギャップを小さくし、磁束量の損失を減少させることが可能となる。
よって、モータＭは、コギングトルクを低く維持しつつも、磁束量を有効に利用した高出力の小型モータとなる。
【符号の説明】
【００３０】
１・・シャフト、２・・巻線、３・・電機子、３１・・ティース、
４・・整流子、４ａ・・セグメント、
５・・磁石、５１・・同心部、５２・・偏心部、
６・・ヨークハウジング、Ｔ・・軸受、
７・・ブラシホルダ、７２・・ブラシ装置、７２ｂ・・ブラシ本体、
８・・エンドハウジング、
Ｓ・・電動パワーステアリング装置、Ｓ２・・ステアリングホイール、
Ｓ３・・ステアリングシャフト、Ｓ３ａ・・入力軸、Ｓ３ｂ・・出力軸、
Ｓ４・・自在継手、Ｓ５・・インターミディエイト、
Ｓ６・・ラック、Ｓ７・・ピニオン軸、Ｓ８・・タイロッド、Ｓ９・・操舵輪、
Ｓ１０・・ステアリングコラム、
Ｋ１・・空間、Ｋ２・・接着剤塗布空間、Ｌ・・回転中心軸、Ｍ‥モータ、
Ｏ１・・回転中心、Ｏ２・・偏心中心
【図１】
0006554958.tif 000002
【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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