特開 2024-84782 ロータの磁場の調整用の軸方向コイルを利用したハイブリッドステッピングモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024084782

(43)【公開日】2024-06-25

(54)【発明の名称】ロータの磁場の調整用の軸方向コイルを利用したハイブリッドステッピングモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 37/04 20060101AFI20240618BHJP

【ＦＩ】

H02K37/04 C

【審査請求】有

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024058935

(22)【出願日】2024-04-01

(62)【分割の表示】P 2020041527の分割

【原出願日】2020-03-11

(31)【優先権主張番号】16/367744

(32)【優先日】2019-03-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】516173429

【氏名又は名称】ジーエイチエスピー・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＧＨＳＰ， ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】100096758

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100114845

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 雅和

(74)【代理人】

【識別番号】100148781

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 友和

(72)【発明者】

【氏名】ラリー ドウェイン リッジ

(72)【発明者】

【氏名】ジョン トーマス バグレー

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ハイブリッドステッピングモータの動作中にロータによって生成される磁場を修正するために通電できる軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータを提供する。
【解決手段】バイポーラハイブリッドステッピングモータ１０は、一次巻線を備えたステータ１６を含む。ステータと一次巻線は、ハウジング１２０内に配置される。ロータ１４は磁気コンポーネントを有する。ロータは、ステータに対して回転動作可能である。軸方向コイルアセンブリ２４がハウジング内に配置され、ロータの両端に近接して位置し、二次巻線を有する。ロータの磁気コンポーネントの少なくとも一部は、通電状態の軸方向コイルアセンブリによって生成される。通電状態は、ロータとステータの間に電磁連通を生成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一次巻線を有するステータと、
前記ステータに対して回転動作可能なロータと、
前記ロータの両端に近接して配置され、二次巻線を有する軸方向コイルアセンブリと、を含み、
少なくとも前記二次巻線が通電されるとき、前記ロータは前記ステータと電磁連通し、
一次巻線と前記二次巻線が通電されるとき、前記ロータは、前記ステータに対して前記ロータを回転動作させる起電力を介して前記ステータと電磁連通する、電気モータアセンブリ。

【請求項2】

前記ステータおよび前記ロータがアイドル状態にあるとき、前記ロータは、前記ステータに対して実質的に自由に回転する、請求項１に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項3】

前記ロータは、前記ステータとの電磁連通を画定する磁気部材を含む、請求項１に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項4】

通電状態の二次巻線が磁束を前記ロータ内に向け、前記磁束が前記ロータによって生成される電磁場の大きさを増大させる、請求項３に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項5】

前記ロータが、前記ステータおよび前記一次巻線によって画定される内部空洞内で回転動作する内側ロータである、請求項１～４のいずれか１項または複数項に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項6】

前記一次巻線は、交流電流によって選択的に通電される、請求項１～５のいずれか１項または複数項に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項7】

前記二次巻線は、直流電流によって選択的に通電される、請求項１～６のいずれか１項または複数項に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項8】

前記一次および二次巻線への通電が、前記ステータに対して回転可能な固定位置に前記ロータを選択的に固定する起電停止力を画定する、請求項１～７のいずれか１項または複数項に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項9】

前記ステータおよび前記ロータは、バイポーラハイブリッドステッピングモータを画定する、請求項１～８のいずれか１項または複数項に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項10】

一次巻線を有するステータであって、前記ステータおよび前記一次巻線はハウジング内に配置される、ステータと、
磁気コンポーネントを有するロータであって、前記ロータは、前記ステータに対して回転動作可能である、ロータと、
前記ハウジング内に配置され、前記ロータの両端に近接して位置し、二次巻線を有する軸方向コイルアセンブリであって、前記ロータの前記磁気コンポーネントの少なくとも一部は、通電状態の前記軸方向コイルアセンブリによって生成され、前記通電状態は、前記ロータと前記ステータの間に電磁連通を生成する、軸方向コイルアセンブリとを含む、バイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項11】

前記一次巻線および前記二次巻線が通電されると、前記ロータは、前記ステータに対して前記ロータを選択的に作動させる起電力を介して前記ステータと電磁連通する、請求項１０に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項12】

前記ロータの前記磁気コンポーネントは、前記ロータ内に配置される磁気部材によって部分的に画定される、請求項１０～１１のいずれか１項または複数項に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項13】

前記軸方向コイルアセンブリがアイドル状態にあるとき、前記磁気部材は、前記ロータの全体の磁気コンポーネントを生成する、請求項１２に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項14】

前記軸方向コイルアセンブリが電気的アイドル状態にあるとき、前記ロータおよび前記ステータは電磁連通がない、請求項１１に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項15】

前記軸方向コイルアセンブリは、前記ロータの第１端部に配置された第１セットのポストと、前記ロータの第２端部に配置された第２セットのポストとを含み、前記軸方向コイルアセンブリは、前記ハウジング内に回転可能に固定される、請求項１０～１４のいずれか１項または複数項に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項16】

前記通電状態の前記二次巻線が磁束を前記ロータ内に向け、前記磁束が前記ロータの前記磁気コンポーネントを少なくとも部分的に画定する、請求項１０～１５のいずれか１項または複数項に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項17】

前記ロータは、前記ステータおよび前記一次巻線によって画定される内部空洞内で回転動作する内側ロータである、請求項１０～１６のいずれか１項または複数項に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項18】

前記一次巻線が交流電流によって選択的に通電され、前記二次巻線が直流電流によって選択的に通電される、請求項１０～１７のいずれか１項または複数項に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項19】

ステータの巻線に通電することであって、ロータが前記ステータに対して回転動作するように通電することと、
軸方向コイルアセンブリを介して前記ロータの第１の磁気コンポーネントを生成することと、
前記ステータの前記通電された巻線と前記ロータの前記第１の磁気コンポーネントによって生成される第１の起電力を使用して前記ロータを動作させることと、
前記軸方向コイルアセンブリに対する電流を修正することと、
前記軸方向コイルアセンブリの前記修正された電流を介して前記ロータの第２の磁気コンポーネントを生成することとであって、前記第１の磁気コンポーネントは前記第２の磁気コンポーネントとは異なるように生成することと、
前記ステータの前記通電された巻線と前記ロータの前記第２の磁気コンポーネントによって生成される第２の起電力を使用して前記ロータを動作させることとを含む、バイポーラハイブリッドステッピングモータの動作方法。

【請求項20】

前記第１の磁気コンポーネントは、電気的にアイドル状態にある前記ロータおよび前記軸方向コイルアセンブリの磁気部材によって画定される、請求項１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、電気モータに関し、より具体的には、ハイブリッドステッピングモータの動作中にロータによって生成される磁場を修正するために通電できる軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来のモータ内では、ステッピングモータは通常、ステータに対してロータを回転させる起電力を生成するために協働するステータとロータを含む。ステータおよびロータのそれぞれは、互いに電磁的に協働して、ステータに対するロータの位置に小さく漸進的な回転変化を生じさせる複数の歯を有する。ハイブリッドステッピングモータ内では、ロータは、ステータの歯に巻き付けられた通電巻線によって生成される別個の電磁場と協働する電磁場を生成する。ロータとステータのこれらの電磁場は協働して、ステータに対してロータを回転させる起電力を生成する。ロータの動きは、ロータとステータの対向する極が一致するように２つの磁場を整列させるために、ロータの磁場を回転させる異なるシーケンスでステータの歯に巻き付けられた巻線に通電することによって生成される。ステータに対するロータの連続回転運動は、ステータのさまざまな巻線に供給される電流をシーケンスすることで実現できる。

【発明の概要】

【0003】

本発明の一態様によれば、電気モータアセンブリは、一次巻線を有するステータを含む。ロータは、ステータに対して回転動作可能である。軸方向コイルアセンブリは、ロータの両端に近接して配置され、二次巻線を有する。少なくとも二次巻線が通電されると、ロータはステータと電磁連通する。一次巻線と二次巻線に通電すると、ロータは、ステータに対してロータを回転動作させる起電力を介してステータと電磁連通する。

【0004】

本発明の別の態様によれば、バイポーラハイブリッドステッピングモータは、一次巻線を有するステータを含む。ステータと一次巻線は、ハウジング内に配置される。ロータは磁気コンポーネントを有する。ロータは、ステータに対して回転動作可能である。軸方向コイルアセンブリがハウジング内に配置され、ロータの両端に近接して位置し、二次巻線を有する。ロータの磁気コンポーネントの少なくとも一部は、通電状態の軸方向コイルアセンブリによって生成される。通電状態は、ロータとステータの間に電磁連通を生成する。

【0005】

本発明の別の態様によれば、バイポーラハイブリッドステッピングモータを動作させる方法は、ステータの巻線に通電することを含む。ロータは、ステータに対して回転動作する。ロータの第１の磁気コンポーネントは、軸方向コイルアセンブリを介して生成される。ロータは、ステータの励磁巻線とロータの第１の磁気コンポーネントによって生成される第１の起電力を使用して動作する。電流は、軸方向コイルアセンブリに対して修正される。ロータの第２の磁気コンポーネントは、軸方向コイルアセンブリの修正された電流を介して動作する。第１の磁気コンポーネントは、第２の磁気コンポーネントとは異なる。ロータは、ステータの励磁巻線とロータの第２の磁気コンポーネントによって生成される第２の起電力を使用して動作する。

【0006】

本発明のこれらおよび他の一態様、目的および特徴は、以下の明細書、特許請求の範囲および添付の図面を検討することにより、当業者に理解されるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】ロータの磁場を修正するためにロータに磁束を提供するための軸方向コイルの一態様を組み込んだハイブリッドステッピングモータの斜視図である。

【図2】線ＩＩ－ＩＩに沿った図１のモータの断面図である。

【図3】ハウジングが取り外されたハイブリッドステッピングモータの一態様の側面図であり、テータおよびロータに対する軸方向コイルの位置決めを示している。

【図4】ロータによって生成される磁場を修正するためにロータに磁束を供給するための軸方向コイルを組み込んだハイブリッドステッピングモータの一態様の分解斜視図である。

【図5】軸方向コイルの一態様を組み込んだハイブリッドステッピングモータの概略立面図である。

【図6】線ＶＩ－ＶＩに沿った図１のステッピングモータの断面図であり、通電状態の軸方向コイルを示す。

【図7】エリアＶＩＩにおける図６のハイブリッドステッピングモータの拡大断面図である。

【図8】軸方向コイルアセンブリが通電されていないハイブリッドステッピングモータの一態様の概略図である。

【図9】軸方向コイルアセンブリに通電した状態の図８のハイブリッドステッピングモータの概略図である。

【図10】軸方向コイルを有するハイブリッドステッピングモータの一態様を組み込んだ車両用のセレクターダイヤルの上面斜視図である。

【図11】軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータを組み込んだ回転ダイヤルの一態様の概略平面図である。

【図12】軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータを組み込んだ回転ダイヤルの一態様の概略平面図である。

【図13】軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータを組み込んだ回転ダイヤルの一態様の概略平面図である。

【図14】軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータを組み込んだ回転ダイヤルの一態様の概略平面図である。

【図15】磁束をロータに供給する軸方向コイルを利用するハイブリッドステッピングモータを動作させる方法を示す線形フロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本書での説明の目的で、「上側」、「下側」、「右」、「左」、「後」、「前」、「垂直」、「水平」といった用語、およびそこから派生したものは、図１で方向付けられたように本発明に関連するものとする。ただし、当然のことながら、それに反して明示的に特定された場合を除き、本発明は、これと代わるさまざまな向きをとってもよい。また、当然のことながら、添付した図面に図示し、以下の明細書で説明した特定の装置およびプロセスは、添付した特許請求の範囲に規定された発明の概念の単なる例示的実施形態にすぎない。よって、特許請求の範囲でそうでないことが明示的に述べられていない限り、本明細書で開示された実施形態に関連する具体的な寸法およびその他の物理的特性は、限定とはみなされない。

【0009】

図１～図９に例示されるように、参照番号１０は、一般に、電気モータまたは電気モータアセンブリを指し、通常、ステータ１６に対して回転動作してロータ１４に連結された駆動シャフト１８を回転させるロータ１４を有するハイブリッドステッピングモータ１２を指す。次に、駆動シャフト１８は、より大きいアセンブリの一部を回転させるか、さもなければ操作するための装置の機械的構成要素に接続される。装置のさまざまな態様によれば、電気モータ１０は、一次巻線２０に電流２２を印加することにより通電可能な一組の一次巻線２０を有するステータ１６を含む。ロータ１４も電気モータ１０内に含まれ、ロータ１４はステータ１６に対して回転動作可能である。軸方向コイルアセンブリ２４は、ロータ１４の端部２６に近接して配置され、一組の二次巻線２８を含む。装置のさまざまな態様では、二次巻線２８が二次電流３０を介して通電されると、ロータ１４はステータ１６と電磁連通するように配置される。一次巻線２０および二次巻線２８がそれぞれ通電されると、ロータ１４は、ステータ１６に対してロータ１４を回転動作させる起電力３２を介してステータ１６と電磁連通する。

【0010】

再び図２～９を参照し、電気モータ１０の作動中、電流２２がステータ１６の巻線に供給される。この電流２２は、ステータの一次巻線２０に分配されて、典型的には、異なる時に対向する巻線の組に通電する。このようにして一次巻線２０に通電すると、あらかじめ設定されたパターンまたはシーケンスにしたがって一次巻線２０に通電する電流２２を介して生成される磁場４０が変更される。ロータ１４は、通電された一次巻線２０によって生成された磁場４０と相互作用するように構成された磁気コンポーネント４２を含む。この磁気コンポーネント４２は、ステータ１６の通電された一次巻線２０によって生成される磁場４０と整列する傾向を有するロータ磁場４４を生成する。したがって、ステータ１６の異なる一次巻線２０が通電されると、ロータ１４の磁気コンポーネント４２により、ロータ１４が磁場４０と整列する傾向を有する。結果として、ロータ１４は、ステータ１６内のあらかじめ設定された通電一次巻線２０のシーケンスに対して回転する。

【0011】

図２～９に例示されるように、ロータ１４の磁気コンポーネント４２を生成するために、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８は、軸方向コイルアセンブリ２４に供給される二次電流３０を通して通電される。軸方向コイルアセンブリ２４に通電すると、軸方向コイルアセンブリ２４は、ロータ１４の端部２６を通る磁束５２を提供するコイル磁場５０を生成する。この磁束５２は、次に、ロータ１４の磁気コンポーネント４２を生成し、通電された一次巻線２０によって生成される磁場４０と相互作用するロータ磁場４４を生成する。軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８に供給される二次電流３０は変化し得る。このようにして、通電された軸方向コイルアセンブリ２４によって生成されるコイル磁場５０は、異なる大きさの磁束５２をロータ１４の端部２６に向けるように変更することもできる。ロータ１４に供給される磁束５２の変動は、ロータ磁場４４を生成するロータ１４の磁気コンポーネント４２の大きさによって異なる可能性がある。別の言い方をすれば、軸方向コイルアセンブリ２４に供給される二次電流３０の増減は、ロータ１４の磁気コンポーネント４２の大きさを変調または変更することができる。

【0012】

限定ではなく例として、ロータ１４の特定の態様は、ロータ１４の本体６２内に磁気部材６０を含むことができる。これらの磁気部材６０は、通常、サイズが小さく、および／または小さなロータ磁場４４を有し得る。したがって、ロータ１４内に配置され得る磁気部材６０は、軸方向コイルアセンブリ２４が二次電流３０によって通電されるとき、ロータ１４によって提供され得る全潜在的磁気コンポーネント４２のわずかな量（約３分の１など）のみを提供するサイズである。二次電流３０が軸方向コイルアセンブリ２４に供給されず、磁気コンポーネント４２が磁気部材６０のみからなる場合、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４は最小であり得る。この最小ロータ磁場４４は、典型的には鉄材料でできているステータ１６の歯と磁気的に相互作用することができる。鉄材料は、一次巻線２０が通電されていなくても、ロータ１４のロータ磁場４４と相互作用することができる。したがって、電流２２が一次巻線２０に供給されず、二次電流３０が軸方向コイルアセンブリ２４に供給されない場合、ロータ１４の回転は、ロータ１４の磁気部材６０およびステータ１６のステータ歯６６間の最小戻り止め感触をもたらし得る。この最小の戻り止め感触は、装置のユーザによって知覚されてもよく、またはユーザによって比較的知覚できないほどわずかであり得る。

【0013】

二次電流３０が軸方向コイルアセンブリ２４に供給されると、ロータ１４のロータ磁場４４が拡大または増大し、ロータ歯６４とステータ歯６６との間の戻り止め感触も増大し得る。軸方向コイルアセンブリ２４への二次電流３０がさらに増加すると、ロータ磁場４４は、ロータ１４がステータ１６内でもはや動作しなくなる点まで増加する可能性がある。このような構成では、ロータ１４の周りに広がるロータ磁場４４は、ステータ１６の鉄材料に回転不能になるまで磁気的に引き付けられ、ロータ１４はステータ１６に対して回転的に固定される。

【0014】

装置のさまざまな態様では、ロータ１４の磁気コンポーネント４２は、軸方向コイルアセンブリ２４のみによって提供され得る。そのような実施形態では、ロータ１４の本体６２内に磁気部材６０は配置されず、ロータ１４の磁気コンポーネント４２は、軸方向コイルアセンブリ２４に提供される二次電流３０のみを介して提供される。装置のこの態様では、軸方向コイルアセンブリ２４が消勢され、二次電流３０がそれに供給されない。したがって、ロータ１４は、ロータ磁場４４を含まず、ステータ１６内で自由に回転することができる。このようにして、ロータ１４とステータ１６との間で磁気的相互作用が知覚されない場合がある。これは、一次コイルも通電されておらず、電流２２が一次巻線２０に供給されない場合に特に当てはまる可能性がある。

【0015】

再び図１～図９を参照して、例示の電気モータ１０は、内側ロータ構成として示されており、ロータ１４は、ステータ１６の歯内に画定された空洞８０内で回転動作する。本明細書に記載の電気モータ１０は、外側ロータ構成として構成することもでき、ロータ１４は、中央ステータコアの周りを回転するリングの形態であることが理解されるべきである。

【0016】

図１～図７に例示されるように、電気モータ１０は、典型的には、バイポーラハイブリッドステッピングモータ１２であり、ロータ１４は、ロータ１４の外周９０内に画定された複数のロータ歯６４を有するロータ歯６４の形状を含む。ロータ１４のロータ歯６４のこの形状は、わずか２つのロータ歯６４を含むことができるが、典型的には５０個の歯である。また、ロータ１４は、ロータ１４の外周９０内に画定される２００個または４００個ものロータ歯６４を含むことができると考えられる。

【0017】

従来のハイブリッドステッピングモータ内では、ロータの外側表面内に画定された各歯は、ステータに対してロータの位置を修正するためにステータと協働する専用磁石を含んでいる。これらの従来のハイブリッドステッピングモータには、ステータの通電巻線と相互作用するために、ロータによって生成される一貫した磁場が含まれている。これらの従来のハイブリッドステッピングモータでは、ロータとステータ間の戻り止め力の微調整は難しく、通常、ロータが提供できる最大トルクの損失につながる。

【0018】

装置のさまざまな態様で例示されるように、図１～図９に示されるように、ロータ１４は、ロータ１４の外周９０内に画定された各ロータ歯６４内に磁気部材６０を含むことができる。上述のように、これらの磁気部材６０は、通常、サイズが小さいか、または従来のモータ内に含まれるロータ磁石よりも小さいロータ磁場４４を生成する。ロータ１４の磁気部材６０はより小さなロータ磁場４４を生成するが、この磁場４０の損失は、二次電流３０の印加により通電することができる軸方向コイルアセンブリ２４の追加により説明される。ロータ１４内に含まれる磁気部材６０は、ロータ１４を回転させるためにステータ１６のステータ歯６６と協働することができる最小トルク１９８または最小戻り止め力を規定することができる。この最小戻り止め力は、軽いクリックまたは戻り止め感触としてユーザが経験するものを規定できる。二次電流３０が軸方向コイルアセンブリ２４に供給されると、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４は、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４の広範囲の大きさと構成を生成する微調整プロセスで変更、修正、または変調することができる。

【0019】

図６および図７に例示されるように、ハイブリッドステッピングモータ１２のロータ１４の端部２６は、負極１０２および正極１０４を画定することができる対向するロータ極１００を含む。ロータ１４の端部２６に配置されたこれらのロータ極１００のそれぞれは、軸方向コイルアセンブリ２４のポスト１１０のそれぞれの第１および第２セット１０６、１０８に近接して位置する。二次巻線２８は、これらのポスト１１０の周りに巻かれている。二次巻線２８が通電されると、ポスト１１０のそれぞれは、ロータ１４のロータ極１００を少なくとも部分的に画定する正および負の端部１１２、１１４を含む。図７に示すように、軸方向コイルアセンブリ２４のポスト１１０は、ロータ１４から遠位にある正の端部１１２と、ロータ１４に隣接または近接する負の端部１１４とを含む。軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８が通電されると、軸方向コイルアセンブリ２４のポスト１１０により生成される磁場４０は磁束５２をステータ１６に提供する。この磁束５２は、二次巻線２８の負の端部１１４から、図７に示されるように、ステータ１６の端部２６に負極１０２を生成する。ロータ１４の反対側の端部２６では、ロータ１４の反対側の極が二次巻線２８の正の端部１１２によって正に帯電してロータ１４の正極１０４を生成するように、通常反対が真である。したがって、ロータ１４の正および負極１０４、１０２は、ロータ１４の各端部２６に投出される磁束５２を生成する通電された軸方向コイルアセンブリ２４を通じて生成される。

【0020】

ロータ１４が磁気部材６０を含む装置のさまざまな態様では、軸方向コイルアセンブリ２４は、ロータ１４内に含まれる磁気部材６０の極性と一致するロータ１４内の正および負極１０４、１０２を拡大することができる。

【0021】

装置内のさまざまな態様によれば、磁気部材６０の磁気極性は、ロータ１４から発する一定の大きさのロータ磁場４４を生成し得る。軸方向コイルアセンブリ２４は、磁気部材６０に対して反対または重ね合わせで使用して、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４に追加またはこれを拡大するだけでなく、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４の大きさを減少させることができると考えられる。したがって、磁気部材６０がロータ１４の端部２６に負極１０２を生成する場合、二次電流３０を印加することにより、軸方向コイルアセンブリ２４を構成して、ロータ１４の端部２６に対向するコイル磁場５０を配置することができる。磁気部材６０および二次巻線２８のこれらの対向する磁極は、少なくとも部分的に互いに相殺し、磁気部材６０単独の強度よりも小さい減少したロータ磁場４４を生成し得る。

【0022】

装置のさまざまな態様によれば、軸方向コイルアセンブリ２４によって生成されるコイル磁場５０を使用して、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４を微調整し、ステータ１６の一次巻線２０によって生成される磁場４０と相互作用する所望の大きさのロータ磁場４４を生成することができる。ロータ１４のロータ磁場４４のこの修正により、ステータ１６に関してロータ１４によって生成されるトルク１９８の量も、特定の電動用途の必要性に応じて変えることができる。

【0023】

再び図２～図９を参照して、上述のように、典型的には、ロータ１４は、ステータ１６および一次巻線２０によって画定される内部空洞８０内で回転動作する内側ロータである。一次巻線２０に供給される電流２２は、通常、交流電流である。また、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８は、二次電流３０を印加することにより通電することができると考えられる。通常、この二次電流３０は直流電流である。

【0024】

図１～７に例示されるように、電気モータ１０は、一次巻線２０を含むステータ１６を有するバイポーラハイブリッドステッピングモータ１２の形態であり得る。ステータ１６および一次巻線２０は通常、ハウジング１２０内に配置される。ステータ１６は、一連の積み重ねられた積層１２２から作ることができ、積み重ねられた積層１２２は、通常、鉄材料から作られる。次いで、巻線は、ステータ１６の積み重ねられた積層１２２によって形成される極１７０の周りに巻かれる。次に、このステータ１６は、ステータ１６の一次巻線２０および積み重ねられた積層１２２を囲むオーバーモールドの形態で、ハウジング１２０によってオーバーモールドされるか、または少なくとも部分的に囲まれ得る。電気モータ１０のロータ１４は、磁気コンポーネント４２を含み、ロータ１４は、ステータ１６に対して回転動作可能である。軸方向コイルアセンブリ２４は、ハウジング１２０内に配置され、ロータ１４の端部２６に近接して位置する。軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８は、軸方向コイルアセンブリ２４のポスト１１０の周りに巻かれている。典型的には、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８およびポスト１１０もハウジング１２０内に収容され、ステータ１６の残りとともにオーバーモールドされ得る。また、軸方向コイルアセンブリ２４は、ハウジング１２０およびステータ１６の残りの部分と結合し、ロータ１４に対して軸方向コイルアセンブリ２４の位置を固定することができる１つまたは複数の別個のキャップ１２４の形態とすることができると考えられる。上述のように、ロータ１４の磁気コンポーネント４２の少なくとも一部は、二次電流３０の印加により通電状態にあるとき、軸方向コイルアセンブリ２４によって生成される。軸方向コイルアセンブリ２４の通電状態は、ロータ１４とステータ１６との間に少なくとも部分的に電磁連通を生じさせる。前述のように、この電磁連通は、ロータ１４の端部２６に向けられた軸方向コイルアセンブリ２４からの磁束５２の印加によって生成することができる。この磁束５２は、ステータ１６の端部２６に対向するロータ極１００を少なくとも部分的に生成し、次に、ステータ１６の通電された一次巻線２０と相互作用できるロータ磁場４４を生成する。図６および図７に示されるように、軸方向コイルアセンブリ２４は、ロータ１４の一端２６に配置されるポスト１１０の第１セット１０６と、ロータ１４の反対端２６に配置されるポスト１１０の第２セット１０８とを含む。通常、軸方向コイルアセンブリ２４は、ロータ１４がステータ１６および軸方向コイルアセンブリ２４に対して回転動作するように、ハウジング１２０内またはハウジング１２０に対して回転可能に固定されている。装置のさまざまな態様において、ロータ１４および軸方向コイルアセンブリ２４がロータ１４の回転軸１５４の周りで動作するとき、軸方向コイルアセンブリ２４はロータ１４とともに回転して磁束５２をロータ１４に提供することが考えられる。典型的には、軸方向コイルアセンブリ２４は、ロータ１４に対してステータに回転可能に固定される。

【0025】

図２～１４に例示されるように、ハイブリッドステッピングモータ１２の動作中、一次巻線２０に供給される電流２２のシーケンスは、典型的には、ステータ１６に関してロータ１４の回転を引き起こすまたは停止させる起電力３２を生成するシーケンスで動作する。装置の例示的な一態様では、軸方向コイルアセンブリ２４を利用して、所定の回転位置１３４でステータに対するロータ１４の回転を停止させる起電停止力１３２を提供することができる。位置決めセンサ１３６を使用して、ロータ１４が特定の回転位置１３４を達成すると、二次電流３０を印加することにより軸方向コイルアセンブリ２４に通電することができる。本明細書で説明するように、この二次電流３０は、十分な大きさのロータ磁場４４を生成することができる。このロータ磁場４４は、ステータ１６の巻線によって加えられる一次磁場４０と相互作用して、ステータ１６に対するロータ１４の回転を妨げる起電停止力１３２を生成する。この起電停止力１３２は、ステータ１６に対するロータ１４の回転の外側限界１３８を規定するために使用することができる。

【0026】

ここで図１０～１４を参照して、本明細書に開示されるハイブリッドステッピングモータ１２の例示的な態様では、ステータ１６の巻線および軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８は、回転セレクターダイヤル１５０などの回転ダイヤルを操作するために協調して動作することができる。ステータ１６の一次および二次巻線２０、２８および軸方向コイルアセンブリ２４をそれぞれ使用して、触覚コンポーネント１５２を達成することができ、触覚コンポーネント１５２は、回転セレクターダイヤル１５０の操作中にユーザによって知覚され得る。触覚コンポーネント１５２は、ハイブリッドステッピングモータ１２によって生成され得る聴覚および／または触覚フィードバックの形態であり得、セレクターダイヤル１５０が回転軸１５４の周りで操作されるとき、ステータ１６に対するロータ１４の回転が高摩擦インターフェースの感触を提供する抗力の形態であり得る。触覚コンポーネント１５２は、１つまたは複数の戻り止め１５６、振動コンポーネント１５８、回転軸１５４を中心とする規定された回転範囲１６０内での動作、ユーザによってセレクターダイヤル１５０の動作に対抗する反対の起電力１６２の印加、および他の同様の触覚コンポーネント１５２の形態でもあり得る。

【0027】

図２～９に例示されるように、ステータ１６の一次巻線２０は、通常、位相の電流２２によって通電される。これらの位相では、一次巻線２０の一部のみが特定の時間に通電される。どの巻線に通電するかを変えることにより、ステータ１６の磁場４０とロータ１４のロータ磁場４４との間に生成される起電力３２は、ステータ１６に対してロータ１４を回転させる起電力３２を生成する。装置のさまざまな態様において、軸方向コイルアセンブリ２４の少なくとも一部に通電することは、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４を修正するのに役立ち得る。加えて、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８の一部のみに通電することにより、ロータ１４により生成されるロータ磁場４０は、他の領域よりも特定の領域で増加させることができる。したがって、軸方向コイルアセンブリ２４を利用して、軸方向コイルアセンブリ２４のさまざまな二次巻線２８に通電するシーケンスは、ステータ１６とロータ１４との間に生じる起電力３２の異なる回転効果を生じさせることができる。これらの効果は、上記の触覚コンポーネント１５２の１つまたは複数の形であり得る。二次巻線２８の一部のみを作動させる他の効果は、トルク１９８の増加、ロータ１４の回転速度の増加、ロータ１４の多種多様な漸進的運動、および他の同様の回転効果ももたらし得る。

【0028】

ハイブリッドステッピングモータ１２内で、ロータ１４の外周９０に画定された複数のロータ歯６４は、ステータ１６の極１７０と磁気的に相互作用する。通常、ステータ１６の極１７０は、ロータ１４のロータ歯６４と選択的に整列するように動作する複数のステータ歯６６を含む。ステータ１６の極１７０または一次巻線２０の一部のみに通電すると同時に、軸方向コイルアセンブリ２４の二次コイルの一部のみを作動させることにより、ロータ１４の漸進的運動をステータ１６に対して大きなステップまたは小さなステップであるように修正することができる。

【0029】

軸方向コイルアセンブリ２４の対向する二次巻線２８が通電される例示的な態様では、ロータ１４に対するロータ磁場４４は、ロータ１４の対向する側部１８０にのみ存在し得る。そのような態様では、ロータ１４の外周９０内に画定されたロータ歯６４の一部のみが磁気的に通電され得る。次いで、これらの磁気的に通電されたロータ歯６４は、ステータ１６の特定の通電された極１７０に引き寄せられ得る。ロータ１４とステータ１６との間のこの回転動作は、ロータ１４の個々のロータ歯６４とステータ１６のステータ歯６６との間の距離よりも大きくなり得る。したがって、従来のステッピングモータがフルステップまたは場合によってはハーフステップにしたがってしか回転できない一方で、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８の一部に通電すると、ハイブリッドステッピングモータ１２内の２倍ステップ、４倍ステップ、またはより小さいフラクショナルステップを提供するハイブリッドステッピングモータ１２の構成が生成され得る。名前が示すように、ロータ１４の歯がステータ１６の他の全ての歯に引き付けられることにより、２倍ステップ構成を作り出すことができる。同様に、ロータ１４の４倍ステップは、ロータ１４の歯がステータ１６の４つおきの歯に引き付けられることを示し得る。ステータ１６の巻線と軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８のさまざまな組み合わせに通電することにより、ハイブリッドステッピングモータ１２を介して追加のステップ構成を生成することができる。

【0030】

上述のように、軸方向コイルアセンブリ２４のステータ１６および二次巻線２８の巻線を利用して、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８を選択的に通電することにより、トルク１９８、速度、漸進的回転および他の要因を修正することができる。

【0031】

装置のさまざまな態様によれば、本明細書で説明されるハイブリッドステッピングモータ１２は、さまざまな装置内で利用することができる。このような装置には、車両および器具のセレクターダイヤル１５０、ロボットアプリケーション、ディスクドライブ、電動玩具、エンコーダー、および正確な位置決め、高速、可変トルク要件を必要とする他の同様のモータアプリケーションが含まれるが、これらに限定されない。

【0032】

図１～１５を参照し、バイポーラハイブリッドステッピングモータ１２のさまざまな態様を説明したが、軸方向コイルアセンブリ２４の一態様を組み込んだバイポーラハイブリッドステッピングモータ１２を動作させる方法４００が開示されている。方法４００によれば、ステップ４０２は、ステータ１６の巻線に通電することを含み、電気モータ１０のロータ１４は、ステータ１６に対して選択的かつ回転的に動作するように構成される。方法４００によれば、ステップ４０４は、軸方向コイルアセンブリ２４（図８に示す）を介してロータ１４の第１の磁気コンポーネント１９０を生成することを含む。上述のように、第１の磁気コンポーネント１９０は、軸方向コイルアセンブリ２４のみによって生成することができる。そのような実施形態では、軸方向コイルアセンブリ２４への第２の電流２２の供給は、二次巻線２８を通電するのに役立つ。二次巻線２８は磁束５２をロータ１４に送り、ロータ１４のロータ磁場４４を生成する。また、ロータ１４の第１の磁気コンポーネント１９０は、ロータ１４内、典型的にはロータ１４の外周９０によって画定される個々のロータ歯６４内に配置される磁気部材６０のみによって製造できることも考えられる。この態様では、第１の磁気コンポーネント１９０は、軸方向コイルアセンブリ２４に供給されない二次電流３０によって規定され得る。言い換えれば、第１の磁気コンポーネント１９０は、二次電流２２がないアイドル状態のままの軸方向コイルアセンブリ２４を示し、第１の磁気コンポーネント１９０は、ロータ１４の磁気部材６０のみによって生成される。第１の磁気コンポーネント１９０が生成された後、ステータ１６の一次巻線２０に通電することにより生成される第１の起電力１９２を使用してロータ１４が作動する（ステップ４０６）。ステータ１６の一次巻線２０に通電することにより、ステータ１６により生成される磁場４０は、第１の磁気コンポーネント１９０と相互作用して、第１の起電力を生成する。この第１の起電力は、典型的には回転パターンでロータ１４を作動させるのに役立つ。ロータ１４の動作は、ステータ１６に対するロータ１４の回転を防止または減速させる停止力１３２を示すことができる。方法４００によれば、ステップ４０８は、二次電流３０を軸方向コイルアセンブリ２４に修正することを含むことができる。上述のように、軸方向コイルアセンブリ２４に供給される二次電流３０は、ロータ１４に供給される磁束５２を修正し、また、ロータ１４によって生成されるロータ磁場４４を修正する働きをすることができる。再び、電流２２を修正することは、軸方向コイルアセンブリ２４の修正された電流２２を介してロータ１４の第２の磁気コンポーネント１９４（図９に示す）を生成するのに役立つ（ステップ４１０）。再び、二次電流３０が修正される場合、第１の磁気コンポーネント１９０は通常、第２の磁気コンポーネント１９４とは異なる。第１および第２の磁気コンポーネント１９０、１９４間のこの変化は、典型的には、ステータ１６に対して動作するロータ１４によって生成され得るトルク１９８の量の修正をもたらす第２の起電力１９６を生成する。方法４００によれば、ステップ４１２は、ステータ１６の通電一次巻線２０によって生成される第２の起電力１９６と、軸方向コイルアセンブリ２４に供給される修正された二次電流３０を介して生成されるロータ１４の第２の磁気コンポーネント１９４とを使用してロータ１４を動作させることを含む。

【0033】

図１～１５に例示されるように、適切な電流２２および／または二次電流３０を一次巻線２０および二次巻線２８にそれぞれ供給するために、１つまたは複数のコントローラ２１０を利用することができる。さらに、１つまたは複数のコントローラ２１０は、ステータ１６に対するロータ１４の回転位置１３４を監視する役割を果たす位置決めセンサ１３６と通信するように配置することができる。コントローラ２１０を利用して、電流２２、二次電流３０、および位置決めセンサを利用して、ハイブリッドステッピングモータ１２を作動させることができる。このようにして、コントローラ２１０は、電流２２および二次電流３０を調整するために利用され、速度、トルク１９８、ステップサイズ、さまざまな触覚コンポーネント１５２、およびロータ１４およびステータ１６の間に生成することができる他の同様の変化を生成することができる。加えて、コントローラ２１０は、ハイブリッドステッピングモータ１２の出力成分の１つを変化させるために、電流２２および／または二次電流３０の変化または変調を実施する必要がある場合、監視するために位置決めセンサと通信するように配置される。

【0034】

装置のさまざまな態様によれば、軸方向コイルアセンブリ２４を規定する二次巻線２８の数は、モータの特定の設計に応じて変化し得る。図２に例示されるように、８つのポスト１１０が含まれ、二次巻線２８は、軸方向コイルアセンブリ２４のさまざまなポスト１１０の周りに巻き付けられる。より多くのまたはより少ない数のポスト１１０を軸方向コイルアセンブリ２４内に含めることができると考えられる。また、軸方向コイルアセンブリ２４内に含まれるポスト１１０の数は、ステータ１６内に含まれる極１７０の数と一致しても一致しなくてもよい。通常、軸方向コイルアセンブリ２４内に含まれるポスト１１０の数は、ステータ１６の極１７０の数とは異なる。軸方向コイルアセンブリ２４とステータ１６の極１７０の構成のこの違いは、ステータ１６に対してロータ１４を作動させる起電力３２を生成するのに役立つ。

【0035】

図２～３に例示されるように、軸方向コイルアセンブリ２４のポスト１１０の位置決めは、典型的には、ポスト１１０とロータ１４の端部２６との間に最小限の空間２２０が存在するようになっている。この近接配置は、軸方向コイルアセンブリ２４から、電気モータ１０を作動させるためのロータ１４の磁気コンポーネント４２の生成を支援するロータ１４への磁束５２を最大化するのに役立つ。

【0036】

図４および５に例示されるように、本明細書に開示されるバイポーラハイブリッドステッピングモータ１２の構成は、各ロータカップ２３０の外周９０内に画定される交互のロータ歯６４を画定する別個のロータカップ２３０を含むことができる。これらのロータカップ２３０は、一端２６のロータカップ２３０がロータ１４の負極１０２を生成し、他端２６のロータカップ２３０が正極１０４を生成するように、両端２６に分離することができる。装置のさまざまな態様によれば、特定の構成では、軸方向コイルアセンブリ２４の使用は、ロータ１４に関して異なる効果を生み出すことができる。そのような効果の１つは、軸方向コイルアセンブリ２４の二次コイルのそれぞれの極性の変化であり得る。二次巻線２８のそれぞれの極性を変更することにより、ロータ１４の正および負極１０４、１０２を、軸方向コイルアセンブリ２４の二次巻線２８に供給される二次電流３０の方向に応じて前後に交互に切り替えることができるように、ロータ１４の極性を切り替えることができる。

【0037】

したがって、本発明の概念から逸脱することなく、前述の構造に対して変更および修正を行うことができることを理解されたい。さらに、そのような概念は、言語によるこれらの請求項が明示的に別段の記載をしない限り、以下の請求項によってカバーされることを意図していることを理解されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【手続補正書】

【提出日】2024-04-02

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一次電流によって通電される一次巻線を有するステータと、
前記ステータに対して回転動作可能なロータであって、前記ロータが動作する内部空間を確定するよう前記ロータの周囲に前記ステータが延在している、前記ロータと、
前記ロータの両端に近接して位置し、前記ロータの駆動シャフトと前記ロータの外縁との間に配置され、二次電流によって選択的に通電される二次巻線を有し、前記ステータに対して軸方向位置が固定されている、軸方向コイルアセンブリと、を含み、
少なくとも前記二次巻線が通電されるとき、前記ロータは前記ステータと電磁連通し、 一次巻線と前記二次巻線が通電されるとき、前記ロータは、前記ステータに対して前記ロータを回転動作させる起電力を介して前記ステータと電磁連通し、
前記一次および二次巻線への通電が、前記ステータに対して前記ロータを選択的に固定する起電停止力を画定する、電気モータアセンブリ。

【請求項2】

前記一次巻線は、交流電流によって選択的に通電される、請求項１に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項3】

前記二次巻線は、直流電流によって選択的に通電される、請求項１に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項4】

前記ステータおよび前記ロータは、バイポーラハイブリッドステッピングモータを画定する、請求項１～３のいずれか１項または複数項に記載の電気モータアセンブリ。

【請求項5】

一次巻線を有するステータであって、前記ステータおよび前記一次巻線はハウジング内に配置される、ステータと、
磁気コンポーネントを有するロータであって、前記ロータは、前記ステータに対して回転動作可能である、ロータと、
前記ハウジング内に配置され、前記ロータの両端に近接して位置し、二次巻線を有する軸方向コイルアセンブリであって、前記ロータの前記磁気コンポーネントの少なくとも一部は、通電状態の前記軸方向コイルアセンブリによって生成され、前記通電状態は、前記ロータと前記ステータの間に電磁連通を生成する、軸方向コイルアセンブリとを含む、バイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項6】

前記一次巻線および前記二次巻線が通電されると、前記ロータは、前記ステータに対して前記ロータを選択的に作動させる起電力を介して前記ステータと電磁連通する、請求項５に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項7】

前記ロータの前記磁気コンポーネントは、前記ロータ内に配置される磁気部材によって部分的に画定される、請求項５に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項8】

前記軸方向コイルアセンブリがアイドル状態にあるとき、前記磁気部材は、前記ロータの全体の磁気コンポーネントを生成する、請求項７に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項9】

前記軸方向コイルアセンブリが電気的アイドル状態にあるとき、前記ロータおよび前記ステータは電磁連通がない、請求項６に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項10】

前記軸方向コイルアセンブリは、前記ロータの第１端部に配置された第１セットのポストと、前記ロータの第２端部に配置された第２セットのポストとを含み、前記軸方向コイルアセンブリは、軸方向の位置が前記ハウジング内に固定される、請求項５に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項11】

前記通電状態の前記二次巻線が磁束を前記ロータ内に向け、前記磁束が前記ロータの前記磁気コンポーネントを少なくとも部分的に画定する、請求項５に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項12】

前記ロータは、前記ステータおよび前記一次巻線によって画定される内部空洞内で回転動作する内側ロータである、請求項５に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項13】

前記一次巻線が交流電流によって選択的に通電され、前記二次巻線が直流電流によって選択的に通電される、請求項５～１２のいずれか１項に記載のバイポーラハイブリッドステッピングモータ。

【請求項14】

ステータの巻線に通電することであって、ロータが前記ステータに対して回転動作するように通電することと、
軸方向コイルアセンブリを介して前記ロータの第１の磁気コンポーネントを生成することと、
前記ステータの前記通電された巻線と前記ロータの前記第１の磁気コンポーネントによって生成される第１の起電力を使用して前記ロータを動作させることと、
前記軸方向コイルアセンブリに対する電流を修正することと、
前記軸方向コイルアセンブリの前記修正された電流を介して前記ロータの第２の磁気コンポーネントを生成することとであって、前記第１の磁気コンポーネントは前記第２の磁気コンポーネントとは異なるように生成することと、
前記ステータの前記通電された巻線と前記ロータの前記第２の磁気コンポーネントによって生成される第２の起電力を使用して前記ロータを動作させることとを含む、バイポーラハイブリッドステッピングモータの動作方法。

【請求項15】

前記第１の磁気コンポーネントは、電気的にアイドル状態にある前記ロータおよび前記軸方向コイルアセンブリの磁気部材によって画定される、請求項１４に記載の方法。