特許 5739172 モータおよび航空機の舵面駆動アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5739172

(24)【登録日】2015年5月1日

(45)【発行日】2015年6月24日

(54)【発明の名称】モータおよび航空機の舵面駆動アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/14 20060101AFI20150604BHJP

   H02K 1/16 20060101ALI20150604BHJP

【ＦＩ】

   H02K21/14 M

   H02K1/16 C

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2011-10036(P2011-10036)

(22)【出願日】2011年1月20日

(65)【公開番号】特開2012-152062(P2012-152062A)

(43)【公開日】2012年8月9日

【審査請求日】2013年10月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】503405689

【氏名又は名称】ナブテスコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100067828

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 悦司

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100137143

【弁理士】

【氏名又は名称】玉串 幸久

(72)【発明者】

【氏名】白井 康行

【審査官】 田村 耕作

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０００／０６２４００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０４２６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３５３５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実公昭１５−０１２０４６（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】 国際公開第２００７／０１０９３４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０４−３４０３３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

Ｈ０２Ｋ １／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の芯部に跨るように巻き付けられたコイルが、磁極を有するロータの軸心を通る仮想第１平面を基準として、この仮想第１平面からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の仮想第２平面までの範囲内にのみ配置され、
複数の芯部のうち、前記仮想第２平面側の少なくともいずれかの端部に配置された芯部には、補助コイルが巻き付けられ、
前記補助コイルには、複数の芯部に跨るように巻き付けられた第１補助コイルと、この第１補助コイルよりも少ない数の芯部に巻き付けられた第２補助コイルとが含まれているモータ。

【請求項2】

前記仮想第２平面側であって、前記ロータ回転方向の端部および前記反対方向の端部に配置された芯部に前記補助コイルが巻き付けられている請求項１に記載のモータ。

【請求項3】

前記コイルには、第１相の電流が流れる第１コイルと、第２相の電流が流れる第２コイルと、第３相の電流が流れる第３コイルと、が含まれ、
前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルは、何れも、互いに隣接する複数の芯部に跨って巻き付けられている請求項１又は２に記載のモータ。

【請求項4】

前記複数の芯部には、前記コイル及び前記補助コイルの双方が巻き付けられた芯部が含まれている請求項１から３の何れか１項に記載のモータ。

【請求項5】

前記複数の芯部には、前記第１補助コイルと前記第２補助コイルの双方が巻き付けられた芯部が含まれている請求項１から４の何れか１項に記載のモータ。

【請求項6】

ステータ及び前記ロータを収容するケースを備えており、
前記ケースは、前記仮想第１平面に直交する方向の長さが、前記仮想第１平面に平行な方向の長さよりも短い請求項１から５の何れか１項に記載のモータ。

【請求項7】

請求項１から６の何れか１項に記載のモータと、動翼に結合され、前記モータの回転力を直線運動に変換する直動機構とを備えた航空機の舵面駆動アクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、モータおよび航空機の舵面駆動アクチュエータに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、下記特許文献１に開示されているように、モータで駆動されるアクチュエータが知られている。図７に示すように、特許文献１に開示されたアクチュエータでは、駆動軸６１ａが水平になるように配置されたモータ６１の下方にボールスクリュー６３が水平に配置され、モータ６１の駆動軸６１ａとボールスクリュー６３とが減速機構６５を介して連結されている。そして、ボールスクリュー６３はモータ６１の回転数に対して所定比率で減速された回転数で回転し、これにより、被駆動部を駆動する。アクチュエータが航空機の舵面を駆動するためのアクチュエータである場合には、被駆動部が舵面若しくは舵面に連結された機構となる。

【0003】

アクチュエータを駆動するモータとして、例えば下記特許文献２に開示されているように、インナーロータ型の直流三相モータが知られている。この直流三相モータは、円環状をなすステータの内側にロータが回転可能に配置された構成のモータである。ステータは、径方向内側に向けて延びるティースが周方向に等間隔に設けられる構成となっており、この各芯部（ティース）にそれぞれコイルが巻き付けられている。これらのコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが順に配置される構成である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２００６／００９３６９４号明細書

【特許文献2】特開２０１０−１４２００６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前記特許文献２に開示されたようなインナーロータ型の直流三相モータを航空機の舵面を駆動するためのアクチュエータに用いる場合、アクチュエータを収容する翼部の厚みを薄型化するには限界がある。すなわち、モータのステータが円環状となっているため、アクチュエータを収容する翼部は、ステータの直径分の厚みが少なくとも必要となる。

【0006】

そこで、本発明は、前記従来技術を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、翼部の薄型化に寄与する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】

前記の目的を達成するため、本発明は、複数の芯部に跨るように巻き付けられたコイルが、磁極を有するロータの軸心を通る仮想第１平面を基準として、この仮想第１平面からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の仮想第２平面までの範囲内にのみ配置され、複数の芯部のうち、前記仮想第２平面側の少なくともいずれかの端部に配置された芯部には、補助コイルが巻き付けられ、前記補助コイルには、複数の芯部に巻き付けられた第１補助コイルと、この第１補助コイルよりも少ない数の芯部に巻き付けられた第２補助コイルとが含まれているモータである。

【0008】

本発明では、コイルが仮想第１平面からロータ回転方向及びその反対方向に所定角度回転した方向の仮想第２平面までの範囲内にのみ配置される構成なので、コイルがロータの全周に亘って配置される構成に比べ、仮想第１平面と直交する方向のステータの幅を小さくすることができる。この結果、モータの厚みを薄くすることが可能となる。そして、仮想第２平面側の少なくともいずれかの端部に配置された芯部に補助コイルが巻き付けられ、補助コイルには第１補助コイルと第２補助コイルとが含まれている。したがって、外径を大きくすることなく、モータトルクを増加させることができる。

【0009】

ここで、前記仮想第２平面側であって、前記ロータ回転方向の端部および前記反対方向の端部に配置された芯部に前記補助コイルが巻き付けられていてもよい。
また、前記コイルに、第１相の電流が流れる第１コイルと、第２相の電流が流れる第２コイルと、第３相の電流が流れる第３コイルと、が含まれる場合には、前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルは、何れも、互いに隣接する複数の芯部に跨って巻き付けられる。

【0010】

この態様では、第１コイル、第２コイル及び第３コイルがそれぞれ複数の芯部に巻き付けられる、いわゆる分布巻きとなっている。したがって、トルクリップルの低下の為にティースやロータ形状や電流印加方法の特別な工夫をしなくても、比較的滑らかに駆動することができる。このため、振動及び騒音を低減でき、出力の大きなモータであっても振動及び騒音を低減できるとともに信頼性を向上することができる。

【0011】

前記複数の芯部には、前記コイル及び前記補助コイルの双方が巻き付けられた芯部が含まれていてもよい。
前記複数の芯部には、前記第１補助コイルと前記第２補助コイルの双方が巻き付けられた芯部が含まれていてもよい。

【0012】

この態様では、ステータの外径を大きくすることなく、モータトルクを増加させることができる。

【0013】

前記モータは、ステータ及び前記ロータを収容するケースを備えていてもよく、この場合には、前記ケースは、前記仮想第１平面に直交する方向の長さが、前記仮想第１平面に平行な方向の長さよりも短くてもよい。この態様では、薄型のケースにステータ及びロータが収容された構成となる。

【0014】

また本発明は、前記モータと、動翼に結合され、前記モータの回転力を直線運動に変換する直動機構とを備えた航空機の舵面駆動アクチュエータである。

【発明の効果】

【0015】

以上説明したように、本発明によれば、翼部の薄型化に寄与することができ、他のモータトルクとのトルク合成が不要である。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施形態に係る直流三相モータが設けられた舵面駆動アクチュエータを概略的に示す図である。

【図2】前記直流三相モータの概略図である。

【図3】前記直流三相モータに設けられるステータを示す図である。

【図4】ステータの変形例を示す図である。

【図5】ステータのその他の変形例を示す図である。

【図6】補助コイルを有しない態様の直流三相モータの概略図である。

【図7】従来のアクチュエータの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【0018】

本実施形態に係る直流三相モータは、舵面駆動アクチュエータの駆動源として構成されたモータであり、インナーロータ型の直流三相モータである。舵面駆動アクチュエータは、例えば航空機の翼部の中に収容され、エルロン、エレベーター、ラダー等の動翼を駆動するために用いられる。

【0019】

図１に示すように、舵面駆動アクチュエータ１０は、本実施形態に係る直流三相モータ（以下、駆動モータ１２と称する）と、この駆動モータ１２の駆動軸１２ａの回転数を所定の比率で減速する減速機構１４と、減速機構１４によって減速された回転駆動力を直線運動に変換する直動機構１６と、を備えている。直動機構１６は、例えばボールねじによって構成されており、減速機構１４の伝達軸１４ａに固定されたナット１６ａと、このナット１６ａに螺合する雄ねじシャフト１６ｂとを備えている。ナット１６ａは、減速機構１４の伝達軸１４ａと一体的に回転する。雄ねじシャフト１６ｂは、ナット１６ａの回転に伴って直線運動する。雄ねじシャフト１６ｂの先端部は、動翼２０にピン結合されている。

【0020】

減速機構１４は、駆動モータ１２の駆動軸１２ａに固定された駆動ギア１４ｂの回転数を減速する第１減速ギア１４ｃと、この第１減速ギア１４ｃの回転数をさらに減速する第２減速ギア１４ｄとを有し、この第２減速ギア１４ｄには前記伝達軸１４ａが突設されている。

【0021】

或いは、伝達軸１４ａに固定された螺合する雄ねじシャフト１６ｂを回転させ、雄ねじシャフト１６ｂに螺合するナット１６ａを直線運動させてもよい。

【0022】

駆動モータ１２は、モータ本体２２とこのモータ本体２２から延出された駆動軸１２ａとを有する。駆動軸１２ａは、例えば直動機構１６の雄ねじシャフト１６ｂと平行になるように配置されていてもよい。駆動モータ１２は、例えば水平尾翼２４の中に配設される場合には、駆動軸１２ａは例えば水平向きになるように配置されていてもよい。なお、上から見た時に、駆動軸１２ａ及び雄ねじシャフト１６ｂが同じ方向になるように配置される構成であってもよく、或いは異なる方向に配置される構成であってもよい。

【0023】

図２は、駆動モータ１２のモータ本体２２を駆動軸１２ａ方向に見たときの概略図である。図２は一例としてロータ磁極数を８極としたものである。図２に示すように、モータ本体２２は、ケース２６と、このケース２６の中に配設されたステータ２８及びロータ３０とを備えている。

【0024】

ケース２６は、軸方向に直交する方向の断面が一方向（図２では左右方向）に長い形状に形成されており、ケース２６は、長手方向の端に位置する一対の長手側端部２６ａと、この両長手側端部２６ａを互いに接続する一対の平行部２６ｂと、を備えている。平行部２６ｂは何れも平板状に形成されていて互いに平行となっており、長手側端部２６ａの両端部（図２における上側端部及び下側端部）に接続されている。したがって、両平行部２６ｂ同士の間隔は、長手側端部２６ａ同士の間隔よりも小さくなっている。本実施形態のように、駆動軸１２ａが例えば水平になるように配置される場合には、一方の平行部２６ｂがケース２６の上壁となり、他方の平行部２６ｂがケース２６の底壁となる。なお、長手側端部２６ａは、図２のように、中間の箇所で折れ曲がり、複数の平坦部を接続した形状に限られるものではなく、円弧状に形成されていてもよい。

【0025】

ステータ２８は、一対のステータ部３２を備えている。ステータ部３２は、ロータ３０を挟んで両側に配置されており、各ステータ部３２は、それぞれケース２６の長手側端部２６ａの内面に固定されている。ステータ２８は一体的に形成されている。すなわち、図３にも示すように、ステータ２８が、両ステータ部３２の間に配置される連結部３３を備え、この連結部３３によって両ステータ部２３を連結することにより、ステータ２８が一体的に形成される構成となっている。なお、図４又は図５に示すように、連結部３３が省略されることにより、ステータ２８が、互いに離間した一対のステータ部２８を備える構成としてもよい。このうち、図４のステータ部３２には、端に位置する芯部３２ｂとの間にスロットを形成するとともにケース２６にも固定される略三角形状の三角状部３２ｃが設けられており、図５のステータ部３２では、三角状部３２ｃが省略されている。

【0026】

両ステータ部３２は、同じ形状に形成されている。各ステータ部３２は、長手側端部２６ａの内面に沿う形状の本体部３２ａと、この本体部３２ａから内側に延出する複数（本実施形態は、７つ）の芯部３２ｂとを有する。本体部３２ａは、外周面がケース２６の長手側端部２６ａの内面に接合され、平坦な端面（図２における上下方向の端面）がケース２６の平行部２６ｂの内面に接合されている。

【0027】

本体部３２ａの内周面は全体としてロータ３０の外周面に沿う形状となっており、この内周面に前記複数の芯部３２ｂが一体的に形成されている。芯部３２ｂは、互いに所定の間隔をおいて配置されていて、各芯部３２ｂは、ロータ３０の半径方向又はその方向に対して少し傾斜した方向に長い形状である。

【0028】

ロータ３０は、駆動軸１２ａの軸方向に所定長さを有する円筒状に形成されている。ロータ３０は、磁極３０ａを有しており、この磁極３０ａは、径方向外側の面において、ロータ３０の周方向に複数の磁極が現れるように着磁されている。図２に示す「Ｎ」「Ｓ」は、それぞれ外面にＮ極の磁極、Ｓ極の磁極が現れていることを示している。なお、磁極３０ａは円筒状に形成された一体ものでもよく、あるいは、複数の磁石を組み付けて円筒状に形成した構成のものでもよく、必ずしも磁石が外表面にある必要は無い。

【0029】

芯部３２ｂは、ロータ３０の周方向の一部の範囲にのみ対向するように配置されている。具体的には、ロータ３０の軸心Ｏを通る仮想第１平面Ｐ１を基準として、この仮想第１平面Ｐ１からロータ３０回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の２つの仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみ芯部３２ｂが配置されている。したがって、この範囲外の領域、すなわち仮想第１平面Ｐ１に直交する方向に対して所定角度範囲の領域には、芯部３２ｂは配置されていない。ステータ２８が連結部３３を有しない構成のうち三角状部３２ｃが設けられていない構成（図５参照）においては、この領域はステータ２８が配置されない空間となる。芯部３２ｂ（コイル）が所定角度範囲内の領域にのみ配置される構成では、ロータの全周にコイルが配設される構成に比べてモータトルクが低減される傾向となるため、それを補うべく、芯部３２ｂの長さを仮想第１平面Ｐ１方向に長くして、その分コイルを多く巻くことができるようになっている。

【0030】

仮想第１平面Ｐ１は、ケース２６の平行部２６ｂに平行な平面であり、仮想第２平面Ｐ２は、ロータ３０の軸心Ｏにおいて仮想第１平面Ｐ１と交差する平面である。仮想第１平面Ｐ１と仮想第２平面Ｐ２とのなす角度θは、特に制限ないが、例えば７０度以下の範囲である。ケース２６は、仮想第１平面Ｐ１に直交する方向の長さが、仮想第１平面Ｐ２に平行な方向の長さよりも短い形状となっている。

【0031】

本実施形態では、ロータ３０の外面に８つの磁極が現れている。そして、１つの磁極に対して３つの芯部３２ｂが対向している。１つの磁極はロータ３０の軸心回りの４５度に相当する幅となっており、各ステータ部３２において、仮想第１平面Ｐ１を挟んで配置された芯部３２ｂは、１つのＳ極と１つのＮ極に対向し得る。そして、５つの芯部３２ｂ（両端の芯部３２ｂを除いた芯部３２ｂ）に三相の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流が給電されるコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが巻き付けられている。すなわち、仮想第１平面Ｐ１からロータの３０回転方向及びその反対方向に所定角度回動した方向の２つの仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが配置されている。また、後述する補助コイル３５ｄもこの範囲内に配置されている。

【0032】

なお、ロータ３０の外面に８つの磁極３０ａが現れる構成に限られるものではなく、例えば、６，１０，１２等、６以上の偶数個の磁極３０ａが現れる構成であればよい。また、１つの磁極３０ａに対して３つの芯部３２ｂが対向する構成に限られるものではなく、１つの磁極３０ａに対して３の倍数個の芯部３２ｂ、すなわち、３Ｎ（Ｎ＝１，２，・・）個の芯部３２ｂが対向する構成であればよい。

【0033】

コイルとしては、第１相（例えばＵ相）の電流が流れる第１コイル３５ａと、第２相（例えばＶ相）の電流が流れる第２コイル３５ｂと、第３相（例えばＷ相）の電流が流れる第３コイル３５ｃとがある。第１コイル３５ａ、第２コイル３５ｂ及び第３コイル３５ｃは何れも、前記６つの芯部３２ｂのうち、互いに隣接する３つの芯部３２ｂ（１磁極分）に跨って巻き付けられている。なお、芯部を増やした場合（Ｎ＝２以上）、４つ以上の芯部を跨って巻きつけられる。そして、第１コイル３５ａ、第２コイル３５ｂ及び第３コイル３５ｃの順に、ロータ３０の回転方向に１つの芯部３２ｂ（１／３極）ずつずれるように配置されている。

【0034】

なお、図２では、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが芯部３２ｂの一部に巻き付けられているかのように便宜上描かれているが、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃは芯部３２ｂの全体に巻き付けられている。

【0035】

両端の芯部３２ｂには前記コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃが巻き付けられていないが、その代わり、両端の芯部３２ｂには補助コイル３５ｄが巻き付けられている。補助コイル３５ｄは、前記コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃ（３の倍数個設けられるコイル）以外に設けられるコイルであり、前記コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃのみの場合によるトルクを増大させるために設けられている。補助コイル３５ｄは、端に配置された芯部３２ｂを含む２つ又は３つ（Ｎ＝２以上の場合、３つ以上または４つ以上）の芯部３２ｂに跨るように装着されている。図２の上側の補助コイル３５ｄには、例えば、Ｖ相とＷ相の電流が流れ、図２の下側の補助コイル３５ｄには、例えば、Ｕ相とＶ相の電流が流れる。補助コイル３５ｄを設けることにより、モータトルクを増大させることができる。なお、さらなる薄型化が要求される場合には、図２の両端の芯部３２ｂを省略して、補助コイル３５ｄを装着しない構成にすることもできる。また、図６に示すように、図１のステータ２８を用いつつ、補助コイル３５ｄを装着しない構成としてもよい。

【0036】

以上説明したように、本実施形態の駆動モータ１２では、互いに隣接する３Ｎ個の芯部３２ｂの内周面が、ロータ３０に設けられた磁極３０ａの外側面の１つの磁極の幅に収まるように配置されているため、三相の各相の電流がコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃに印加された場合に、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃの周囲に生じる磁束の流れに対するステータ２８とロータ３０との間の磁気的な作用力をロータ３０の駆動力とすることができる。しかも、コイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄを有するステータ部３２が仮想第１平面Ｐ１からロータ３０の回転方向及びその反対方向に所定角度回転した方向の仮想第２平面Ｐ２までの範囲内にのみ配置される構成なので、ステータ部３２及びコイル３５ａ，３５ｂ，３５ｃがロータ３０の全周に亘って形成される構成に比べ、仮想第１平面Ｐ１と直交する方向のステータ２８の幅を小さくすることができる。この結果、直流三相モータの厚みを薄くすることが可能となる。したがって、他のモータの出力と合成することなく、所望の出力を得ることができる。

【0037】

また本実施形態では、第１コイル３５ａ、第２コイル３５ｂ及び第３コイル３５ｃがそれぞれ複数の芯部３２ｂに巻き付けられる、いわゆる分布巻きとなっている。したがって、トルクリップルの低下の為にティースやロータ形状や電流印加方法の特別な工夫をしなくても、比較的滑らかに駆動することができる。このため、振動及び騒音を低減でき、出力の大きなモータであっても振動及び騒音を低減できるとともに信頼性を向上することができる。

【0038】

また本実施形態では、複数の芯部３２ｂのうち、仮想第２平面Ｐ２側の端部に配置された芯部３２ｂには、補助コイル３５ｄが巻き付けられているので、ステータ２８の外径を大きくすることなく、モータトルクを増加させることができる。

【0039】

また本実施形態では、薄型のケース２６にステータ２８及びロータ３０が収容された構成となっており、ケース２６の平行部２６ｂを設置面としても利用することができるため、モータを安定して設置しやすくなる。

【0040】

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。

【0041】

前記実施形態では、直動機構１６と駆動モータ１２とが上下方向に並んで配置される例を示したが、これに限られるものではない。例えば、直動機構１６の軸方向に駆動モータ１２が配置される構成としてもよい。

【符号の説明】

【0042】

１０ 舵面駆動アクチュエータ
１２ 駆動モータ
１２ａ 駆動軸
２２ モータ本体
２６ ケース
２６ａ 長手側端部
２６ｂ 平行部
２８ ステータ
３０ ロータ
３０ａ 磁石
３２ ステータ部
３２ａ 本体部
３２ｂ 芯部
３２ｃ 内側部
３２ｄ 外側部
３５ａ 第１コイル
３５ｂ 第２コイル
３５ｃ 第３コイル
３５ｄ 補助コイル
Ｏ 軸心
Ｐ１ 仮想第１平面
Ｐ２ 仮想第２平面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】