JP2008228479A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシシフト角を適正化して整流特性を向上させ、ブラシ火花低減による長寿命化とモータ損失の抑制を図ることのできる直流モータを提供する。
【解決手段】ステータの界磁極が８極（永久磁石１６が８個）、ロータにおいては電機子コアに３２個のティース３３ｃが設けられ、コイル３５が３個のティース３３ｃを跨ぐ短節巻きにて巻回されて整流子（セグメント４２）と接続されて構成される。給電ブラシ１９は通常位置から反回転方向側にシフトされて配置され、そのシフト角αをθ／４〜θ／２（θは整流帯であり、給電ブラシ１９が実質整流を行う角度期間）の範囲内の所定値に設定した。
【選択図】図４

Description

本発明は、コイルが分布巻きにて巻回されたロータの整流子に、周方向にシフトして配置した給電ブラシを接触させて給電する構成のアウタロータ型の直流モータに関するものである。

従来、界磁として永久磁石を有するステータの外周に、回転軸と一体回転する複数個のコイルを有してなるロータが配置されたアウタロータ型の直流モータとしては、特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１のアウタロータ型の直流モータは、コアレスとしてロータの軽量化を図ったものであるが、コアにコイルを巻回するものにおいても、コイル鎖交磁束を多くして小型高出力を図るためには、ステータ側の磁石の磁極ピッチとロータ側のコイルピッチとを同じとした全節巻きが採用される。
特開平６−２６１５０２号公報

しかしながら、上記のように全節巻きを採用した場合、整流時の無火花帯（整流子と給電ブラシとの間で火花放電が生じない期間）が減少するため、ブラシ火花による給電ブラシの損傷が早くなり寿命が低下するという問題がある。

この整流時のブラシ火花の低減には、給電ブラシを永久磁石の磁極中心線上の通常位置から回転方向一方にシフトさせて配置するブラシシフトが有効であるが、そのシフト角を大きくするとステータ側の永久磁石によりコイルに発生する誘起電圧にて過整流になり易い。特に、永久磁石に希土類磁石を使用する等して磁束密度を高めて小型高出力かしている場合には、過整流がより顕著となる。この過整流はブレーキトルクを発生させることから、モータ損失が大きくなるという問題がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ブラシシフト角を適正化して整流特性を向上させ、ブラシ火花低減による長寿命化とモータ損失の抑制を図ることができる直流モータを提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、界磁を有するステータと、前記界磁の外周において回転可能に配置され、電機子コアのティースにコイルが巻回されて構成されるとともに、該コイルが接続されるセグメントを有する整流子を一体に備えてなるロータと、前記整流子のセグメントに接触する給電ブラシを有し、該給電ブラシから前記整流子を介して前記コイルに回転駆動のための電源供給を行う給電装置とを備えたアウタロータ型の直流モータであって、前記ステータの界磁極は８極であり、前記ロータにおいて前記電機子コアには前記ティースが３２個設けられるとともに、前記コイルが３個のティースを跨ぐ短節巻きにて巻回され、前記給電ブラシは、前記界磁極の磁極中心線上の通常位置から回転方向一方にシフトされ、整流帯をθとした場合にθ／４〜θ／２の範囲内にブラシシフト角が設定されたことをその要旨とする。

この発明では、ステータの界磁極が８極、ロータにおいては電機子コアに３２個のティースが設けられ、コイルが３個のティースを跨ぐ短節巻きにて巻回されて整流子と接続されてなり、整流子に接触する給電ブラシは、通常位置から回転方向一方にシフトされ、そのシフト角がθ／４〜θ／２（θは整流帯であり、給電ブラシが実質整流を行う角度期間）の範囲内に設定される。これにより、整流特性が向上し（図５参照）、ブラシ火花とモータ損失との両面で良好な結果が得られる。

本発明によれば、ブラシシフト角を適正化することで整流特性が向上し、ブラシ火花低減による長寿命化とモータ損失の抑制を図ることのできる直流モータを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図１に、本実施の形態の直流モータ１を示す。直流モータ１は、界磁として永久磁石１６を有するステータ２の外周に、コイル３５を有するロータ３が配置されるアウタロータ型の直流モータにて構成されている。

ステータ２を構成するステータハウジング１１は、略円形の皿状をなしており、その底部に設けた円環状の突条部１１ａの内側には、支持部材１２が固定されている。支持部材１２は、貫通孔１２ａが形成された円筒状の支持部材本体１２ｂと、該支持部材本体１２ｂの基端部に形成された保持部１２ｃと、該支持部材本体１２ｂの軸方向略中央に形成された鍔部１２ｄとを備えている。支持部材１２は、基端部の保持部１２ｃがステータハウジング１１の突条部１１ａにて位置決めがなされて該ハウジング１１に固定されるとともに、該保持部１２ｃの内周部には軸受１３が固定されている。

支持部材本体１２ｂにおける鍔部１２ｄよりも先端側の外周には、固定孔１５ａが形成された略円筒状の界磁コア１５が配置されている。界磁コア１５は、固定孔１５ａ内に支持部材本体１２ｂが嵌入され該コア１５の基端端面が鍔部１２ｄに当接するように固定され、固定状態において支持部材本体１２ｂの先端部よりも突出して取り付けられている。その突出部分における固定孔１５ａの内周部には、前記軸受１３と対をなす軸受１４が固定されている。このような界磁コア１５の外周面には、図２に示すように、円弧状で同形状に形成された８個の永久磁石１６が周方向にＮ極とＳ極とが交互となるように配置されて固定されている。つまり、ステータ２には、等角度間隔に８極の界磁極を有している。

各永久磁石１６の外側面１６ａは、同一円周となる円弧面部１６ｂを周方向中央領域（磁極中央領域）に有し、該円弧面部１６ｂの両側においては周方向端部に向かうほど径方向内側に傾斜する一対の傾斜面部１６ｃを有している。即ち、永久磁石１６の外側面１６ａの円弧面部１６ｂでは、後述する電機子コア３３の内側環状部３３ｄの内周面３３ｅとの隙間が周方向で等間隔であり、傾斜面部１６ｃでは、端部に向かうほどその内周面３３ｅとの隙間が大きくなるように構成されている。本実施の形態では、永久磁石１６は周方向に８個配置されることから個々の角度範囲は４５°であり、そのうち中央域の円弧面部１６ｂは約２３°（４５°の半分の２２．５°）に設定され、後述するが３個のティース３３ｃに跨ってコイル３５が巻回されるその両側のティース３３ｃの中心線間の角度範囲ａ１に相当する。また、両側の傾斜面部１６ｃはそれぞれ約１１°（４５°の１／４の１１．２５°）に設定され、隣接するティース３３ｃの中心線間の角度範囲ａ２に相当する。

図１に示すように、支持部材１２の保持部１２ｃの外周には、ステータハウジング１１の底部に固定される保持プレート１７が配置されるとともに、該保持プレート１７には、四角筒状をなす６個のブラシホルダ１８が等角度間隔に設けられている。尚、図１は、ブラシホルダ１８が有る部分と無い部分の断面図であり、ブラシホルダ１８を１つのみ図示している。各ブラシホルダ１８には、略四角柱状の給電ブラシ１９がそれぞれ軸方向に移動可能に挿入されている。因みに、各給電ブラシ１９は、そのブラシ幅（周方向幅）がセグメント４２の周方向幅と略同じに設定されている。各給電ブラシ１９は、ブラシホルダ１８内に収容された圧縮コイルばね２０によって後述の整流子４１（セグメント４２）に押圧接触される。そして、各給電ブラシ１９は、ステータハウジング１１外に引き出されるリード線２１にそれぞれ電気的に接続され、該リード線２１を通じて外部からロータ３の回転のための電源供給がなされるようになっている。給電ブラシ１９は、プラス側給電用とマイナス側給電用とが周方向に交互に配置されている。

ロータ３を構成するロータハウジング３１は、円筒状のコア固定部３１ａと、該コア固定部３１ａの片側端部を閉塞する底部３１ｂとを一体に形成してなり、有底円筒状をなしている。コア固定部３１ａは、前記ステータハウジング１１の外径と等しい外径を有するとともに、底部３１ｂの中央部には、円筒状の支持部３１ｃが一体に設けられている。円筒状の支持部３１ｃの内側には、軸方向に貫通する圧入孔３１ｄが形成されており、該圧入孔３１ｄには、回転軸３２が圧入により固定されている。回転軸３２は、前記軸受１３，１４にてそれぞれ所定部位が軸支され、これにより、ロータ３は、支持部材１２に対して回転可能に支持される。

図１及び図２に示すように、コア固定部３１ａの内周面には、円環状の電機子コア３３が固定されており、前記ステータ２の永久磁石１６の外周に配置されている。電機子コア３３は、コア固定部３１ａの内周面に圧入される円環状のアウタコア３３ａと、該アウタコア３３ａの内周部に組み付けられるインナコア３３ｂとから構成されている。インナコア３３ｂは、アウタコア３３ａの内周部から中心部に向かって径方向に延びる３２個のティース３３ｃを等角度間隔に有し、隣接するティース３３ｃの内側端部同士が内側環状部３３ｄにより円環状に連結され一体に構成されている。内側環状部３３ｄの内周面３３ｅは、同一円周の円周面にて形成されており、前記ステータ２の永久磁石１６の外側面１６ａと対向している。

電機子コア３３には、絶縁樹脂製のインシュレータ３４の上からティース３３ｃに対して導線が分布巻にて巻回されてなる複数のコイル３５が構成されている。因みに、コイル３５は、アウタコア３３ａに組み付けられる前のインナコア３３ｂのティース３３ｃに巻回され、その巻回後にインナコア３３ｂがアウタコア３３ａに組み付けられる。そして、コイル３５が巻回されてインナコア３３ｂがアウタコア３３ａに組み付けられた電機子コア３３は、ロータハウジング３１のコア固定部３１ａの内周面に圧入により固定されている。各コイル３５の端部３５ａ，３５ｂ（各コイル３５における巻き始めの端部と巻き終わりの端部）は、ロータハウジング３１の開口部３１ｅ側に引き出されている。

ロータハウジング３１の開口部３１ｅには、円環状の固定部材３６が固定され、該固定部材３６上に整流子４１が固定されている。整流子４１は、径方向に放射状に配置された３２個のセグメント４２と、これらセグメント４２を保持する絶縁性樹脂材料よりなる円環状の保持部４３と、所定のセグメント４２同士を短絡する短絡線４４とから構成されている。

各セグメント４２は、図１及び図３に示すように、軸方向から見た形状が外周側に向かうに連れて周方向の幅が広くなる略扇形状をなすとともに、各セグメント４２の軸方向の一方の端面（電機子コア３３と逆側の面）は、前記給電ブラシ１９が摺接する軸直交平面よりなる摺接面４２ａとなっている。各セグメント４２は、その摺接面４２ａが面一で、周方向に隣り合うセグメント４２間に隙間（スリット）が設けられるように、保持部４３にて周方向に等角度間隔に配置されている。また、各セグメント４２の径方向内側端部には、周方向に並ぶ一対の内周側接続ピン４２ｂが形成されるとともに、各セグメント４２の径方向外側の端部には、径方向外側に突出するとともに周方向に屈曲した形状をなす外周側接続ピン４２ｃが形成されている。

図３は、整流子４１の裏面側（反摺接面４２ａ側）から見た平面図を示す。尚、図３では、セグメント４２及び短絡線４４のみを図示している。図３に示すように、短絡線４４は、セグメント４２と同数の３２個備えられ、一方の端部が所定のセグメント４２の内周側接続ピン４２ｂに接続されるとともに、他方の端部が９０°ずれた位置（７個置き）にあるセグメント４２の外周側接続ピン４２ｃに接続されている。これにより、各セグメント４２は、短絡線４４により９０°毎のセグメント４２同士が同電位とされている。

整流子４１のセグメント４２には、対応する前記コイル３５の端部３５ａ，３５ｂがそれぞれ電気的に接続されている。この場合、各コイル３５において径方向内側に引き出された端部３５ａが、対応するセグメント４２の内周側接続ピン４２ｂに接続され、径方向外側に引き出された端部３５ｂが、対応するセグメント４２の外周側接続ピン４２ｃに接続されて結線されている。

本実施の形態の具体的な結線は図４に示す通りで、３個のティース３３ｃに跨ってコイル３５が巻回されて次のセグメント４２に接続され、次に１個ずれた３個のティース３３ｃに跨ってコイル３５が巻回されて更に次のセグメント４２に接続されるというように、これが繰り返されて各コイル３５と整流子４１との結線がなされている。この場合、コイル３５が３個のティース３３ｃに跨って巻回されることから、図２に示すように、ステータ２側の永久磁石１６の磁極ピッチ（周方向両端部間の角度範囲Ａ１）よりもロータ３側のコイル３５のピッチ（周方向両端部間の角度範囲Ａ２）が狭い短節巻きによる巻回ということになる。因みに、永久磁石１６の磁極ピッチ（角度範囲Ａ１）は、上記したように本実施の形態では４５°であるのに対し、コイル３５のピッチ（角度範囲Ａ２）は、本実施の形態では約３４°（３個分のティース３３ｃの間隔３３．７５°）となっている。

また、このような結線に対し、各給電ブラシ１９は、永久磁石１６の磁極中心線上の通常位置から回転方向一方側に角度αだけシフト（図４にて２点鎖線で示す位置から実線で示す位置までシフト）させた位置に配置されている。ここで、本実施の形態の直流モータ１は一方向回転駆動用のモータであり、各給電ブラシ１９は、その回転方向とは反対側にシフトさせて配置されている。各給電ブラシ１９のシフト角αは、整流期間内の整流帯（給電ブラシ１９の周方向幅からセグメント４２間のスリット幅を除いた実質整流している角度期間）をθとすると、本実施の形態では、θ／４〜θ／２の範囲内の所定値に設定されている。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、給電ブラシ１９のシフト角αが通常位置（シフト角ゼロ）から増加するにつれてモータ損失が増加するのに対し、給電ブラシ１９のシフト角αが通常位置（シフト角ゼロ）から増加するにつれてブラシ火花が低減し、θ／２を若干越えたところでブラシ火花は略ゼロとなる。尚、図５の実線で示す変化は、短節巻きを採用した本実施の形態のモータ１によるものであり、図５の破線で示す変化は、全節巻き（４個のティースを跨ぐ巻回）を採用したモータによるものである。つまり、短節巻きを採用した本実施の形態のモータ１の方が整流特性の向上が大であり、モータ損失とブラシ火花とで優れた結果となる。そして、このような短節巻きを採用した本実施の形態のモータ１においてモータ損失とブラシ火花との両面から検討すると、図５（ｃ）に示すように、給電ブラシ１９のシフト角αがθ／４〜θ／２の間で最小値を含む良好な範囲となることがわかった。このことから本実施の形態では、給電ブラシ１９のシフト角αがθ／４〜θ／２の範囲内の所定値、例えば最小値となるθ／３に設定され、ブラシ火花低減による長寿命化を図りつつ、モータ損失を抑制する構成としている。

上記したように、本実施の形態によれば、以下の効果を有する。
（１）本実施の形態の直流モータ１では、ステータ２の界磁極が８極（永久磁石１６が８個）、ロータ３においては電機子コア３３に３２個のティース３３ｃが設けられ、コイル３５が３個のティース３３ｃを跨ぐ短節巻きにて巻回されて整流子４１（セグメント４２）と接続されて構成されている。そして、整流子４１に接触する給電ブラシ１９が通常位置から反回転方向側にシフトされ、そのシフト角αをθ／４〜θ／２（θは整流帯であり、給電ブラシ１９が実質整流を行う角度期間）の範囲内の所定値に設定した。これにより、整流特性が向上し（図５参照）、ブラシ火花とモータ損失との両面で良好な結果となり、ブラシ火花低減による長寿命化とモータ損失の抑制を図ることができる。

尚、本発明の実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、磁極毎に８個が独立した永久磁石１６を用いたが、複数磁極で１個とした永久磁石や、環状とした１個の永久磁石を用いてもよい。また、外側面１６ａに円弧面部１６ｂと傾斜面部１６ｃとを有する永久磁石１６を用いたが、傾斜面部１６ｃを省略し外側面１６ａ全体を同一円周で形成した永久磁石を用いてもよい。

・上記実施の形態では、所定のセグメント４２同士を同電位とする短絡線４４を用いて整流子４１を構成したが、短絡線４４を省略してもよい。この場合、給電ブラシ１９は６個必須となる。また、短絡線４４を用いて整流子４１を構成していることから、給電ブラシ１９を例えば２個や４個とすることもできる。また、給電ブラシ１９の全部をシフトして配置したが、少なくとも１個をシフトして配置してもよい。また、給電ブラシ１９と整流子４１を軸方向に接触させる構成であったが、径方向に接触させる構成としてもよい。

・上記実施の形態では、電機子コア３３においてティース３３ｃを内側環状部３３ｄで一体化したが、内側環状部３３ｄを形成せず、ティース３３ｃの内側部分を独立させてもよい。この場合、アウタコア３３ａに相当する外側環状部にティース３３ｃを一体形成するのが好ましく、更にこの場合、ティース３３ｃの内側端部同士が拡開するように外側環状部が回動可能に連結する構成としてもよい。

本実施の形態における直流モータの縦断面図である。 本実施の形態における直流モータの横断面図である。 本実施の形態における整流子の平面図である。 本実施の形態における直流モータの結線図である。 本実施の形態におけるブラシシフト角に対するモータ損失とブラシ火花の発生レベルとの関係を説明するための図である。

符号の説明

１…直流モータ、２…ステータ、３…ロータ、１６…界磁としての永久磁石、１９…給電装置を構成する給電ブラシ、３３…電機子コア、３３ｃ…ティース、３５…コイル、４１…整流子、４２…セグメント、α…シフト角。

Claims (1)

1. 界磁を有するステータと、
   前記界磁の外周において回転可能に配置され、電機子コアのティースにコイルが巻回されて構成されるとともに、該コイルが接続されるセグメントを有する整流子を一体に備えてなるロータと、
   前記整流子のセグメントに接触する給電ブラシを有し、該給電ブラシから前記整流子を介して前記コイルに回転駆動のための電源供給を行う給電装置と
   を備えたアウタロータ型の直流モータであって、
   前記ステータの界磁極は８極であり、
   前記ロータにおいて前記電機子コアには前記ティースが３２個設けられるとともに、前記コイルが３個のティースを跨ぐ短節巻きにて巻回され、
   前記給電ブラシは、前記界磁極の磁極中心線上の通常位置から回転方向一方にシフトされ、整流帯をθとした場合にθ／４〜θ／２の範囲内にブラシシフト角が設定されたことを特徴とする直流モータ。

Images