JP2020080609A - モータ及びブラシレスワイパーモータ - Google Patents
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Abstract
Description
リングマグネットを有するSPM型のブラシレスモータは、一般に、セグメントマグネットを有するSPM型のブラシレスモータよりも振動や騒音が小さい。しかしながら、リングマグネットを有するSPM型のブラシレスモータは、セグメントマグネットを有するSPM型のブラシレスモータよりも大型化してしまうという問題がある。
(ワイパーモータ)
図1は、第1の実施形態のワイパーモータ1の斜視図である。図2は、第1の実施形態のワイパーモータ1の断面図である。ワイパーモータ1はブラシレスワイパーモータである。
図1、図2に示すように、ワイパーモータ1は、例えば車両に搭載されるワイパの駆動源となる。ワイパーモータ1は、モータ部(モータ)2と、モータ部2の回転を減速して出力する減速部3と、モータ部2の駆動制御を行うコントローラ部4と、を備えている。
なお、以下の説明において、単に軸方向という場合は、モータ部2のシャフト31の回転軸線方向をいい、単に周方向という場合は、シャフト31の周方向をいい、単に径方向という場合は、シャフト31の径方向をいうものとする。
モータ部2は、モータケース5と、モータケース5内に収納されている略円筒状のステータ8と、ステータ8の径方向内側に設けられ、ステータ8に対して回転可能に設けられたロータ9と、を備えている。モータ部2は、ステータ8に電力を供給する際にブラシを必要としない、いわゆるブラシレスモータである。
モータケース5は、例えばアルミダイキャスト等の放熱性の優れた材料に形成されている。モータケース5は、軸方向に分割可能に構成された第1モータケース6と、第2モータケース7と、からなる。第1モータケース6及び第2モータケース7は、それぞれ有底筒状に形成されている。
第1モータケース6は、底部10が減速部3のギヤケース40と接合されるように、このギヤケース40と一体成形されている。底部10の径方向略中央には、ロータ9のシャフト31を挿通可能な貫通孔10aが形成されている。
図3は、第1の実施形態におけるステータ8及びロータ9を軸方向からみた平面図である。
図2、図3に示すように、ステータ8は、径方向に沿う断面形状が略円形となる筒状のコア部21と、コア部21から径方向内側に向かって突出する複数(例えば、本第1実施形態では6つ)のティース22と、が一体成形されたステータコア20を有している。ステータコア20は環状である。
ステータコア20は、複数の金属板を軸方向に積層することにより形成されている。なお、ステータコア20は、複数の金属板を軸方向に積層して形成する場合に限られるものではなく、例えば、軟磁性粉を加圧成形することにより形成してもよい。
ロータ9は、ステータ8の径方向内側に微小隙間を介して回転自在に設けられている。ロータ9は、減速部3を構成するウォーム軸44(図2参照)と一体成形されたシャフト31と、シャフト31に外嵌固定されこのシャフト31を軸心(回転軸線)C1とする略円柱状のロータコア32と、ロータコア32の外周面に設けられた4つの磁石33と、を備える。このように、モータ部2において、磁石33の磁極数とスロット19(ティース22)の数との比は、4:6である。
また、ロータコア32の径方向略中央には、軸方向に貫通する貫通孔32aが形成されている。この貫通孔32aに、シャフト31が圧入されている。このことは、ロータコア32の径方向中心に軸心C1が位置することを意味する。なお、貫通孔32aに対してシャフト31を挿入とし、接着剤等を用いてシャフト31にロータコア32を外嵌固定してもよい。
このように形成されたロータコア32の外周面32bは、周方向で隣り合う2つの突極35の間が、それぞれ磁石収納部36として構成されている。これら磁石収納部36に、それぞれ磁石33が配置され、例えば接着剤等によりロータコア32に固定される。
図3、図4に示すように、磁石33は、シャフト31の軸心C1回りの周方向両側の端部33sにおける径方向の厚さが、周方向中間部33cにおける径方向の厚さよりも小さくなるように形成される。すなわち、図4に詳示するように、磁石33は、径方向外側の外周面の曲率半径R1が、磁石33の径方向内側の内周面の曲率半径R2が小さく設定されている。このため、磁石33の径方向外側の外周面とティース22の内周面との間の微小隙間は、磁石33の周方向中央が最も小さく、この周方向中央から周方向に離間するに従って徐々に大きくなる。
なお、突極35の径方向外側の端部35tにおける周方向の幅寸法とは、突極35に丸面取り部35aが形成されていないとした場合の周方向の両角部35b間の幅寸法をいう。以下の説明では、突極35における径方向外側の端部35tにおける周方向の幅寸法を、単に突極35の径方向における幅寸法と称して説明する。
突極35は、磁石33の周方向の端部33sよりも径方向外側に突出する。
図1、図2に戻り、減速部3は、モータケース5が取り付けられているギヤケース40と、ギヤケース40内に収納されるウォーム減速機構41と、を備えている。ギヤケース40は、例えばアルミダイキャスト等の放熱性の優れた材料により形成されている。ギヤケース40は、一面に開口部40aを有する箱状に形成されており、内部にウォーム減速機構41を収容するギヤ収容部42を有する。また、ギヤケース40の側壁40bには、第1モータケース6が一体成形されている箇所に、この第1モータケース6の貫通孔10aとギヤ収容部42とを連通する開口部43が形成されている。
図5は、第1の実施形態におけるコントローラ部4のハードウェア構成の一例を示す図である。
モータ部2の駆動制御を行うコントローラ部4は、バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)601と、RAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)等のメモリ602と、補助記憶装置603と、磁気検出素子61と、コイル24に印加する電圧を制御するFET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)等のスイッチング素子からなるパワーモジュール604とを備える。バスで接続されたCPU(Central Processing Unit)601と、メモリ602と、補助記憶装置603とは連動して動作することでコントローラ制御部400として動作する。
コントローラ部4は、ギヤケース40の開口部40aを閉塞するように設けられたカバー63を備える。コントローラ基板62が、ウォームホイール45のセンサマグネット側(ギヤケース40の開口部40a側)に対向配置されている。
また、カバー63の外周部に、コネクタ11が一体成形されている。このコネクタ11は、不図示の外部電源から延びるコネクタと嵌着可能に形成されている。そして、コネクタ11の不図示の端子に、コントローラ基板62が電気的に接続されている。これにより、外部電源の電力がコントローラ基板62に供給される。
印加制御部401は、所定の電圧をコイル24に印加するようにパワーモジュール604を制御する。
印加制御部401による制御によってコイル24に印加される電圧は、以下の条件(以下「電圧条件」という。)を満たす電圧であればよい。条件の1つ目は、波形が矩形波であるという条件である。条件の2つ目は、突極35の先端とティース22の開口部とが対向していない時にコイル24に電圧の印加が開始されるという条件である。
電圧条件を満たす電圧は、例えば、波形が矩形波であって、進角が、15°以上45°以内の進角のうち予め定められた所定の進角であって、通電角が、130°以上150°以下の通電角のうち予め定められた所定の通電角である電圧である。このような電圧がコイルに24に印加される場合、電圧の印加が開始されることに応じて電圧が立ち上がる。このような電圧がコイルに24に印加される場合、突極35の先端とティース22の開口部とが対向している時にはコイル24に電圧が印加されている。
電圧の立ち上がりから電圧の立下りまでの電気角の大きさが通電角である。電圧の立ち上がりの電気角と電圧と立下りの電気角との中央の電気角を通電中心位置という。進角は、電圧の立ち上がりの位置の電気角と所定の電気角との差を表す。所定の電気角とは、ワイパーモータ1の誘起電圧とコイル24に流れる位相とが一致する電圧の立ち上がりの位置の電気角である。ワイパーモータ1の誘起電圧とコイル24に流れる位相とが一致する電圧とは、通電角が120°であって電圧の立ち上がりの位置の電気角が30°の電圧である。
図8は、波形が矩形波であって、進角が0°であって、通電角が120°である電圧である。
次に、ワイパーモータ1の動作について説明する。
ワイパーモータ1は、コネクタ11を介してコントローラ基板62に供給された電力が、パワーモジュール604を介してモータ部2の各コイル24に選択的に供給される。コントローラ基板62は、コイル24の駆動電圧に、5次高調波を重畳している。
ロータ9が回転すると、シャフト31と一体化されているウォーム軸44が回転し、さらにウォーム軸44に噛合されているウォームホイール45が回転する。そして、ウォームホイール45に連結されている出力軸48が回転し、所望の電装品が駆動する。
次に、図9〜図14によって、ロータ9の作用、効果について説明する。図9〜図14の説明と実験結果を示す実験とにおいて、コイル24に印加される電圧の波形は矩形波である。
図9の横軸は進角を表す。図9の縦軸は、各進角における合成トルクの最大値を表す。図9は、進角が30°の時、合成トルクが最大であることを示す。
図10(A)は、進角30°、通電角120°の矩形波の電圧の立ち上がり時の突極35の先端とティース22の開口部との位置関係を示す。進角30°、通電角120°の矩形波の電圧の立ち上がり時には、突極35の先端とティース22の開口部とが対向している。電圧の立ち上がり時にリラクタンストルクは生じるので、進角30°、通電角120°の矩形波がコイル24に印加される場合には、突極35の先端とティース22の開口部とが対向している時にリラクタンストルクが生じる。
図10(B)は、進角30°、通電角120°の矩形波の電圧がコイル24に印加されている場合における、合成トルクの波形の実験結果である。図10(B)のC1が表す合成トルクは、突極35の先端とティース22の開口部とが対向しているが対向している位置において生じる合成トルクである。図10(B)が示すように、突極35の先端とティース22の開口部とが対向している位置が、電圧の立ち上がり位置であると、急激に合成トルクが大きくなる。合成トルクの変化量が大きいほど、リップルや騒音が大きくなる。そのため、合成トルクの変化量を小さくできればリップルや騒音の発生を抑制することができる。
図11において横軸は、通電角を表す。図11において縦軸は、磁気音の大きさを表す。磁気音の大きさとは、ワイパーモータ1が発する騒音の大きさである。図11は、20°、25°、30°、35°及び40°の各進角における通電角と磁気音との関係を示す。図11は、進角が35°以外の場合には、通電角が140°で磁気音の大きさが最小であることを示す。図11は、進角が35°の場合には、通電角が150°で磁気音の大きさが最小であることを示す。図11は、進角が35°であって通電角が140°における磁気音の大きさは、進角が35°であって通電角が150°における磁気音の大きさよりは大きいものの、略同一であることを示す。
また、図11は、通電角が140°である場合には、進角が20°で磁気音の大きさは最小であることを示す。図11は、進角が25°であって通電角が140°である場合と、進角が30°であって通電角が140°である場合とにおける磁気音の大きさは、進角が20°であって通電角が140°である場合に略同一であることを示す。このことは、図11は、進角が20°以上30°以内であって、通電角が140°が磁気音を小さくするには望ましいことを示す。
このように図11は、進角が20°以上30°以内であって通電角が140°である場合に、磁気音が小さいことを示す。
このように進角が20°以上30°以内であって通電角が140°である場合に磁気音が小さくなるのは、電圧の立ち上がりが、電気角30°の位置ではなく、突極35の先端とティース22の開口部とが対向している位置ではないためである。
図12の横軸は、ロータ9の合成トルクの大きさを表す。図12の縦軸は、リップル率を表す。
図12において、モータAは、突極35を有さないSPM(Surface Permanent Magnet)モータを示す。図12において、モータBは、進角が30°であって通電角が120°の矩形波によって駆動されるワイパーモータ1を示す。図12において、モータCは、進角が20°以上30°以内であって通電角が130°〜150°の矩形波によって駆動されるワイパーモータ1を示す。
図12は、モータCがモータA及びモータBよりもリップル率が低いことを示す。
また、図12は、モータCにおいて、合成トルクが増大してもトルクリップルが減少することを示す。
図13において、横軸は、ロータの回転角を表す。図13において、縦軸はトルクの大きさを表す。
図13(A)は、通電角が120°におけるトルクの波形を示す。図13(A)において、マグネットトルクの振幅は、略0.01(N・m)である。図13(A)において、リラクタンストルクの振幅は、略0.04(N・m)である。図13(A)において、合成トルクの振幅は、略0.05(N・m)である。
図13(B)は、通電角が140°におけるトルクの波形を示す。図13(B)において、マグネットトルクの振幅は、略0.01(N・m)である。図13(B)において、リラクタンストルクの振幅は、略0.02(N・m)である。図13(B)において、合成トルクの振幅は、略0.03(N・m)である。
図13(A)及び図13(B)より、通電角が140°におけるリラクタンストルクの大きさは、通電角が120°におけるリラクタンストルクの大きさよりも小さい。このことは、通電角が120°の場合におけるリラクタンストルクに起因する音よりも、通電角が140°の場合にリラクタンストルクに起因する音の方が、音量が小さいことを意味する。
このように、通電角が140°である場合、通電角が120°の場合よりもリラクタンストルクに起因する騒音の発生が抑制される。
図14の横軸は、進角を表す。図14の縦軸は、トルクを表す。図14は、進角が15°以上30°未満において合成トルクは最大値に近い値を有することを示す。図14は、進角が15°以上30°未満におけるリラクタンストルクの割合がマグネットトルクの割合よりも小さいことを示す。このように、進角が15°以上30°未満である場合、合成トルクにおけるリラクタンストルクの割合が小さいものの、合成トルクが最大値に近い。そのため、このような電圧がコイル24に印加されることによって動作するワイパーモータ1は、大きなトルクの発生しながらもリラクタンストルクに起因するリップル及び騒音の発生を抑制することができる。
このように構成されたワイパーモータ1は、突極35の電気角θを20°以上として、径方向における幅寸法を一定以上に確保することによって、磁束が突極35に集中することで、減磁界が磁石33の端部33sに作用しにくくなるという効果を、確実に得ることができる。また、突極35の電気角θを20°以上40°以下に設定することで、高いリラクタンストルクを得ることができる。
ワイパーモータの進角及び通電角は、ユーザが変更可能であってもよい。
図15は、第2の実施形態のワイパーモータ1aが備えるコントローラ制御部400aの機能構成の一例示す図である。
第2の実施形態のワイパーモータ1aは、コントローラ制御部400に代えてコントローラ制御部400aを備える点で第1の実施形態のワイパーモータ1と異なる。以下、図1〜図5と同様の機能を有するものについては、同じ符号を付すことで説明を省略する。
決定部402は、取得部605が取得した動作環境情報に基づいて、進角及び通電角を決定する。動作環境情報は、ワイパーモータ1aの動作環境に関する情報である。動作環境情報は、ワイパーモータ1aの動作環境に関する情報であればどのような情報であってもよい。
動作環境情報は、例えば、周囲の音量であってもよい。動作環境情報は、例えば、時刻であってもよい。動作環境情報は、例えば、ワイパーモータ1が搭載された車両のアクセルペダルの操作量であってもよい。
取得部605は、動作環境情報を取得可能であればどのようなものであってもよい。取得部605は、例えば、磁気検出素子61であってもよい。取得部605は、アクセルペダルであってもよい。
取得部605は、例えば、音センサであってもよい。取得部605は、光センサであってもよい。音センサ又は光センサは、ワイパーモータ1のどこに取り付けられていてもよい。
また取得部605は、音センサ等の動作環境情報の取得装置を自装置に接続するインタフェースとして構成されてもよい。
決定部402は、例えば、動作環境情報が周囲の光量を示す情報であった場合、光量が所定の光量以上であれば、進角を30°に決定し、通電角を120°に決定する。決定部402は、例えば、動作情報が周囲の光量を示す情報であった場合、光量が所定の光量未満であれば、進角を20°に決定し、通電角を140°に決定する。なお、光量が所定の光量未満である場合とは、例えば、夜間である。このように光量に基づいた進角及び通電角の電圧がコイル24に印加されることで、ワイパーモータ1の駆動は夜間であれば静かな駆動となり、昼間であれば静かさよりも高いトルクの発生を優先した駆動となる。
図16によって、第1及び第2の実施形態におけるロータ9の第1の変形例(以下「ロータ9a」という。)について説明する。
図16は、変形例のロータ9aの拡大図である。図16は、ロータ9aを軸方向からみた平面図であって、前述の第1実施形態における図4に対応する。
ロータ9aは、突極35の端部35tの径方向の外周面が凸である箇所と凹である箇所とを有する点で第1及び第2の実施形態におけるロータ9と異なる。図16において突極35の端部35tの径方向の外周面の凸である箇所は、凸箇所P351である。図16において突極35の端部35tの径方向の外周面の凹である箇所は、凹箇所P352である。
図17は、変形例のロータ9bの拡大図である。図17は、ロータ9bを軸方向からみた平面図であって、前述の第1実施形態における図4に対応する。
ロータ9bは、磁石33における径方向外側の外周面の一部が凹んでいる点で第1及び第2の実施形態におけるロータ9と異なる。図17において磁石33における径方向外側の外周面の一部の凹んでいる箇所は、凹箇所P331である。
図18は、変形例のロータ9cの拡大図である。図18は、ロータ9cを軸方向からみた平面図であって、前述の第1実施形態における図4に対応する。
ロータ9cは、磁石33の周方向の端部33sが突極35に接する点で第1及び第2の実施形態におけるロータ9と異なる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
Claims (5)
- 環状のステータコアと前記ステータコアの内周面から径方向内側に向かって突出する複数のティースとを有するステータと、
前記ティースに巻回されるコイルと、
前記ステータコアの径方向内側で回転軸線回りに回転するシャフトと、
前記シャフトに固定され、前記回転軸線を径方向中心とするロータコアと、
前記ロータコアの外周面に位置する磁石と、
前記ロータコアの前記外周面の周方向で隣り合う前記磁石の間に位置し、前記磁石の周方向の端部よりも径方向外側に突出する突極と、
前記コイルに対して電圧を印加する印加部と、
前記コイルに所定の条件を満たす電圧が印加されるように前記印加部を制御する印加制御部と、
を備え、
前記磁石の磁極数と前記ティースの数との比は、2:3であり、
前記コイルに対して印加される電圧の波形は矩形波であり、
前記印加制御部は、前記突極の先端と前記ティースの開口部とが対向していない時に前記コイルに電圧の印加が開始されるように前記印加部を制御する、
モータ。 - 前記コイルに印加される電圧は、進角が15°以上45°以内の進角のうち予め定められた所定の進角であって、通電角が130°以上150°以下の通電角のうち予め定められた所定の通電角である、
請求項1に記載のモータ。 - 前記進角は、15°以上30°未満である、
請求項2に記載のモータ。 - 動作環境に関する情報を取得する取得部、
をさらに備え、
前記印加制御部は、波形が矩形波の電圧であって前記情報に基づいた進角又は通電角の電圧を印加するように前記印加制御部する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のモータ。 - 請求項1〜4のいずれか一項に記載のモータを備える、
ブラシレスワイパーモータ。
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