JP6428129B2 - 直流モータ - Google Patents

Description

本発明は、直流モータに関する。

下記特許文献１には、直流モータが開示されている。この文献に記載された直流モータの固定子は、ハウジングと、当該ハウジングの内周面に固定されたリング状のマグネットと、を含んで構成されている。そして、リング状のマグネットには、その周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に着磁されている。そして、Ｎ極の磁極中心とＳ極の磁極中心とが周方向に沿って不等間隔に配置されている。これにより、電流リップル（トルクリップル）を増加させて、電流の波形から直流モータの回転数を検出することが可能となっている。

特許第５０２６９４９号公報

ところで、上記特許文献１に記載されたリング状のマグネットは、磁界発生装置によってＮ極とＳ極とが着磁されることによって構成される。しかしながら、磁界発生装置によってＮ極とＳ極とを着磁する場合、Ｎ極の磁極中心及びＳ極の磁極中心の位置にバラつきが生じやすい。すなわち、Ｎ極の磁極中心及びＳ極の磁極中心が所定の位置に対してずれ易い。

本発明は上記事実を考慮し、固定子の各部の磁極中心の位置を容易に調整することができる直流モータを得ることが目的である。

請求項１記載の直流モータは、軸線回りに回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸に固定されていると共に導電性の巻線が巻回された電機子コアと、前記巻線の端末部が接続された整流子と、を有する回転子と、前記整流子に摺接することによって前記巻線へ通電させる一対のブラシと、前記電機子コアを覆うヨークハウジングと、前記ヨークハウジングの内周面に固定され、周方向に沿って交互にかつ磁極中心が不等間隔に配置された２対以上のＮ極のマグネット及びＳ極のマグネットと、を有する固定子と、を備え、前記一対のブラシは、前記磁極中心に対して周方向にずらした位置に配置されている。

請求項１記載の直流モータによれば、ブラシが整流子に摺接して、電機子コアに巻回された巻線への通電が切替えられる。これにより、電機子コアの回りに磁界が生じ、当該磁界と固定子のマグネット（Ｎ極のマグネット及びＳ極のマグネット）の磁界の相互作用によって、回転子が回転する。すなわち、直流モータの回転軸が回転する。ここで、本発明では、２対以上のＮ極のマグネット及びＳ極のマグネットが、周方向に沿って交互にかつ磁極中心が不等間隔に配置された状態でヨークハウジングの内周面に固定されている。当該構成では、周方向に均一に着磁されたセグメントマグネット（Ｎ極のマグネット及びＳ極のマグネット）を用いて固定子を構成することにより、固定子の各部の磁極中心の位置を容易に調整することができる。また、２対以上のＮ極のマグネット及びＳ極のマグネットを周方向に沿って不等間隔に配置することにより、ブラシと整流子との接触が切り替わる際の電流リップルを所望の値に調整することができる。

請求項２記載の直流モータは、請求項１記載の直流モータにおいて、一の前記Ｎ極のマグネットと当該一の前記Ｎ極のマグネットの周方向一方側に隣り合って配置された前記Ｓ極のマグネットとの間のクリアランスと、一の前記Ｎ極のマグネットと当該一の前記Ｎ極のマグネットの周方向他方側に隣り合って配置された前記Ｓ極のマグネットとの間のクリアランスと、が異なっている。

請求項２記載の直流モータによれば、一のＮ極のマグネットと当該一のＮ極のマグネットと周方向一方側及び他方側に隣合うＳ極のマグネットとのクリアランスを上記のように設定することにより、固定子の各部の磁極中心の位置を容易に調整することができる。

請求項３記載の直流モータは、請求項１又は請求項２記載の直流モータにおいて、前記Ｎ極のマグネット及び前記Ｓ極のマグネットの総数をＰとし、前記電機子コアのスロット数が、Ｐ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定されている。

請求項３記載の直流モータによれば、電機子コアのスロット数を上記のように設定することにより、直流モータの低振動化を図りつつブラシと整流子との接触が切り替わる際の電流リップルを所望の値に調整することができる。

請求項４記載の直流モータは、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記電機子コアは、周方向に沿って等間隔に配置された複数のティース部を備えており、前記巻線が前記ティース部の回りに巻回されることによって、各々の前記ティース部の回りにコイルが形成されており、前記回転子が回転している際に、一対の前記ブラシと前記コイルの周方向の中心とが同時に一致しないように前記一対のブラシが配置されている。

請求項４記載の直流モータによれば、ブラシの配置を上記のように設定することにより、ブラシと整流子との接触が切り替わる際の電流リップルを所望の値に調整することができる。

請求項５記載の直流モータは、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記巻線は、前記電機子コアに分布巻きにより巻回されている。

請求項５記載の直流モータによれば、巻線を電機子コアに集中巻きにより巻回した場合に比して、直流モータのトルクを向上させることができる。
請求項６記載の直流モータは、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記固定子は、２つの前記Ｎ極のマグネットと、２つの前記Ｓ極のマグネットと、を含んで構成され、前記一対のブラシは、周方向に９０°ずらした位置に配置され、一の前記Ｎ極のマグネットの磁極中心及び一の前記Ｓ極のマグネットの磁極中心が、前記一対のブラシの周方向へ間隔が狭い側において前記一対のブラシの間に配置されている。

本実施形態の直流モータを軸方向に沿って切断した断面を示す側断面図である。 図１に示された２−２線に沿って切断した直流モータの断面を拡大して示す拡大断面図である。 対比例に係る直流モータの断面を示す図２に対応する拡大断面図である。 本実施形態の直流モータの電流波形を示すグラフである。 対比例に係る直流モータの電流波形を示すグラフである。 対比例に係る直流モータの電流波形を示すグラフである。 対比例に係る直流モータの電流波形を示すグラフである。 スロット数及び巻線方式のバリエーションとリップル山数との関係を示す表である。

図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る直流モータについて説明する。なお、図中に適宜示す矢印Ｚ方向、矢印Ｒ方向及び矢印Ｃ方向は、直流モータの軸方向、径方向及び周方向をそれぞれ示すものとする。また以下、単に軸方向、径方向、周方向を示す場合は、特に断りのない限り、直流モータの軸方向、径方向、周方向を示すものとする。

図１に示されるように、直流モータ１０は、回転子１２と、ブラシ装置１４と、固定子１６と、を備えている。

回転子１２は、棒状に形成された回転軸１８と、回転軸１８に固定された電機子コア２０及び整流子２２と、を含んで構成されている。回転軸１８は、後述するヨークハウジング４６と同軸上に配置されており、回転軸１８の軸方向一端部が、軸受部材２４を介してヨークハウジング４６の底部に回転自在に支持されていると共に、回転軸１８の軸方向他端部は、略円筒状の軸受部材２４を介してモータハウジング２６に回転自在に支持されている。そして、回転軸１８の軸方向他端部には、連結部材２８が圧入されている。

図２に示されるように、電機子コア２０は、磁性材料を用いて形成されており、この電機子コア２０は、環状に形成されていると共に回転軸１８が軸心部に圧入される環状部３０と、軸方向視で略Ｔ字状に形成されていると共に周方向に沿って等間隔に配列された１０個のティース部３２と、を備えている。この電機子コア２０は、１０個のティース部３２を備えていることにより、当該電機子コア２０の外周部には、１０個のスロット３４が形成されている。

ここで、本実施形態では、後述するＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓの総数をＰとした場合において、電機子コア２０のスロット３４の数が、Ｐ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定されている。すなわち、Ｐ＝４，ｎ＝１に対応するスロット３４の数に設定されている。

また、電機子コア２０の各々のティース部３２の回りには、導電性の巻線３６が巻回されている。これにより、ティース部３２の回りにはコイル３８が形成されている。さらに、本実施形態では、巻線３６が、電機子コア２０の各々のティース部３２に分布巻きにより巻回されている。

図１に示されるように、整流子２２は、回転軸１８の軸方向他端側の部分に圧入等によって固定されている。この整流子２２は、周方向に沿って等間隔に配列された複数の整流子片４０を備えている。また、各整流子片４０は、隣接する整流子片４０同士が電気絶縁された状態で固定されている。さらに、各整流子片４０には、電機子コア２０の所定のティース部３２毎に巻回された対応する巻線３６の端末部が電気的に接続されている。

ブラシ装置１４は、整流子２２の径方向外側に配置されており、このブラシ装置１４は、絶縁性の材料を用いて形成されたブラシホルダ４２と、ブラシホルダ４２に支持された一対のブラシ４４と、を含んで構成されている。また、一対のブラシ４４は、図示しないスプリングによって径方向内側に付勢されている。これにより、一対のブラシ４４が整流子２２に摺接して巻線３６（コイル３８）へ通電させることが可能となっている。また、図２において仮想線で示されるように、一のブラシ４４の周方向の位置は、後述するＮ極のマグネット４８Ｎの磁極中心Ｌ１に対して周方向他方側に１２ｄｅｇずらした位置に配置されており、他のブラシ４４の周方向の位置は、一のブラシ４４に対して周方向一方側に９０ｄｅｇずらした位置に配置されている。換言すると、他のブラシ４４の周方向の位置は、後述するＳ極のマグネット４８Ｓの磁極中心Ｌ２に対して周方向一方側に１２ｄｅｇずらした位置に配置されている。

図１及び図２に示されるように、固定子１６は、電機子コア２０を覆う有底筒状に形成されたヨークハウジング４６と、ヨークハウジング４６に固定された２対のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓと、を含んで構成されている。ヨークハウジング４６は、電機子コア２０と周方向に対向して配置された筒状部５０を備えており、この筒状部５０の内周面にＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓが接着剤等により接合されている。

図２に示されるように、Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓは、ヨークハウジング４６の筒状部５０の内周面に対応する弧状に湾曲された板状に形成されており、またＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓは、周方向に沿って均一に着磁されている。さらに、本実施形態では、Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓが、周方向に沿って交互に配置されていると共に、Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓの磁極中心Ｌ１，Ｌ２（Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓの周方向の中心）が不等間隔に配置されている。詳述すると、一のＮ極のマグネット４８Ｎと当該一のＮ極のマグネット４８Ｎの周方向一方側に隣り合って配置されたＳ極のマグネット４８Ｓとの間のクリアランスＣ１が、一のＮ極のマグネット４８Ｎと当該一のＮ極のマグネット４８Ｎの周方向他方側に隣り合って配置されたＳ極のマグネット４８Ｓとの間のクリアランスＣ２よりも狭くなっている。これにより、一のＮ極のマグネット４８Ｎの磁極中心Ｌ１が、当該一のＮ極のマグネット４８Ｎの周方向一方側に隣り合って配置されたＳ極のマグネット４８Ｓの磁極中心Ｌ２に対して周方向に７８ｄｅｇずれている。なお、当該構成では、一のＮ極のマグネット４８Ｎの磁極中心Ｌ１が、当該一のＮ極のマグネット４８Ｎの周方向他方側に隣り合って配置されたＳ極のマグネット４８Ｓの磁極中心Ｌ２に対して周方向に１０２ｄｅｇずれている。

（本実施形態の作用並びに効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果について対比例に係る直流モータ５２と比較して説明する。

図１及び図２に示された直流モータ１０によれば、一対のブラシ４４が整流子２２の整流子片４０に摺接して、電機子コア２０に巻回された巻線３６（コイル３８）への通電が切替えられる。これにより、電機子コア２０の回りに磁界が生じ、当該磁界と固定子１６のセグメントマグネット（Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓ）の磁界の相互作用によって、回転子１２が回転する。すなわち、直流モータ１０の回転軸１８が回転する。

ここで、本実施形態では、２対のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓが、周方向に沿って交互にかつ磁極中心Ｌ１，Ｌ２が不等間隔に配置された状態でヨークハウジング４６の内周面に固定されている。当該構成では、周方向に均一に着磁されたセグメントマグネット（Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓ）を用いて固定子１６を構成することにより、固定子１６の各部の磁極中心Ｌ１，Ｌ２の位置を容易に調整することができる。また、２対のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓを周方向に沿って不等間隔に配置することにより、ブラシ４４と整流子２２の整流子片４０との接触が切り替わる際の電流リップルを所望の値に調整することができる。すなわち、図３に示された対比例に係る直流モータ５２の電流リップルに比して大きな電流リップルを得ることができる。なお、図３に示された対比例に係る直流モータ５２は、一のＮ極のマグネット４８Ｎの磁極中心Ｌ１が、当該一のＮ極のマグネット４８Ｎの周方向他方側に隣り合って配置されたＳ極のマグネット４８Ｓの磁極中心Ｌ２に対して周方向に９０ｄｅｇずれている点を除いては、上記直流モータ１０と同様に構成されている。なお、直流モータ５２において上記直流モータ１０と対応する部材及び部分には、上記直流モータ１０と同一の符号を付している。

図４には、本実施形態の直流モータ１０の電流リップルが示されており、図５には、対比例に係る直流モータ５２の電流リップルが示されている。これらに図に示されたＮ極の電流波形とＳ極の電流波形とを合成した波形が電流リップルである。そして、これらの図を見ると、本実施形態の直流モータ１０は、対比例に係る直流モータ５２の電流リップルに比して大きな電流リップルを得られることがわかる。

また、図２に示されるように、本実施形態では Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓの総数をＰとした場合において、電機子コア２０のスロット３４の数が、Ｐ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定されている。これにより、本実施形態の直流モータ１０では、対比例に係る直流モータ５２の電流リップルに比して大きな電流リップルを得ることができる。

図６及び図７には、Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓの総数をＰとした場合において、電機子コア２０のスロット３４の数が、Ｐ×（ｎ＋２）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定された対比例に係る直流モータの電流波形が示されている。図６の電流波形を示す対比例に係る直流モータは、スロット３４の数がＰ×（ｎ＋２）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定されていることを除いては本実施形態の直流モータ１０と同様に構成されている。また、図７の電流波形を示す対比例に係る直流モータは、スロット３４の数がＰ×（ｎ＋２）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定されていることを除いては対比例に係る直流モータ５２と同様に構成されている。これらの図に示されるように、スロット３４の数がＰ×（ｎ＋２）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定すると、２対のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓを周方向に不等間隔に配置した場合の電流リップルが、２対のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓを周方向に等間隔に配置した場合の電流リップルに比して小さくなることがわかる。

また、図２に示されるように、本実施形態では、一のＮ極のマグネット４８Ｎと当該一のＮ極のマグネット４８Ｎと周方向一方側及び他方側に隣合うＳ極のマグネット４８ＳとのクリアランスＣ１，Ｃ２を上記のように設定することにより、固定子１６の各部の磁極中心Ｌ１，Ｌ２の位置を容易に調整することができる。

また、本実施形態では、一のブラシ４４の周方向の位置が、Ｎ極のマグネット４８Ｎの磁極中心Ｌ１に対して周方向他方側に１２ｄｅｇずらした位置に配置されていると共に、他のブラシ４４の周方向の位置が、Ｓ極のマグネット４８Ｓの磁極中心Ｌ２に対して周方向一方側に１２ｄｅｇずらした位置に配置されている。当該配置とすることにより、直流モータ１０の作動中に（回転子１２が回転している際に）一対のブラシ４４とコイル３８の周方向の中心とが同時に一致しない。これにより、本実施形態の直流モータ１０では、対比例に係る直流モータ５２の電流リップルに比して大きな電流リップルを得ることができる。

さらに、本実施形態では、巻線３６が、電機子コア２０の各々のティース部３２に分布巻きにより巻回されている。これにより、巻線３６を電機子コア２０の各々のティース部３２に集中巻きにより巻回した場合に比して、直流モータ１０のトルクを向上させることができる。

なお、本実施形態では、巻線３６を電機子コア２０の各々のティース部３２に分布巻きにより巻回した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、巻線３６を電機子コア２０の各々のティース部３２に集中巻きにより巻回してもよい。巻線３６を分布巻きにより巻回するか、或いは、集中巻により巻回するかについては、直流モータのトルク及び寸法等を考慮して適宜設定すればよい。

また、本実施形態では、電機子コア２０のスロット３４の数を、Ｐ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数であって、Ｐ＝４，ｎ＝１に対応するスロット３４の数に設定した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示されるように、ｎ＝２以上に設定することもできる。この図に示されるように、ｎの値を増加させると、単位回転数あたりの電流リップルの山数が増加することがわかる。なお、この図には、ｎ＝０とした場合が示されているが、当該ｎ＝０とした構成では電流リップルの値が大きい、すなわち、電流リップルを検出し易い。これに対して、ｎの値を１以上の値に増加させると、電流リップルの値は小さくなる。しかしながら、上記本実施形態の直流モータ１０のように、Ｎ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓを周方向に沿って交互にかつ磁極中心Ｌ１，Ｌ２を不等間隔に配置することにより、電流リップルの値を大きくすることができる。

さらに、本実施形態では、２対のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓを用いて固定子１６を構成した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、３対以上のＮ極のマグネット４８Ｎ及びＳ極のマグネット４８Ｓを用いて固定子１６を構成してもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、その主旨を逸脱しない範囲内において上記以外にも種々変形して実施することが可能であることは勿論である。

１０…直流モータ，１２…回転子，１６…固定子，１８…回転軸，２０…電機子コア，２２…整流子，３４…スロット，３６…巻線，４４…ブラシ，４６…ヨークハウジング，４８Ｎ…Ｎ極のマグネット，４８Ｓ…Ｓ極のマグネット，Ｃ１…クリアランス，Ｃ２…クリアランス，Ｌ１…磁極中心，Ｌ２…磁極中心

Claims (6)

1. 軸線回りに回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸に固定されていると共に導電性の巻線が巻回された電機子コアと、前記巻線の端末部が接続された整流子と、を有する回転子と、
   前記整流子に摺接することによって前記巻線へ通電させる一対のブラシと、
   前記電機子コアを覆うヨークハウジングと、前記ヨークハウジングの内周面に固定され、周方向に沿って交互にかつ磁極中心が不等間隔に配置された２対以上のＮ極のマグネット及びＳ極のマグネットと、を有する固定子と、
   を備え、
   前記一対のブラシは、前記磁極中心に対して周方向にずらした位置に配置されている直流モータ。
2. 一の前記Ｎ極のマグネットと当該一の前記Ｎ極のマグネットの周方向一方側に隣り合って配置された前記Ｓ極のマグネットとの間のクリアランスと、一の前記Ｎ極のマグネットと当該一の前記Ｎ極のマグネットの周方向他方側に隣り合って配置された前記Ｓ極のマグネットとの間のクリアランスと、が異なっている請求項１記載の直流モータ。
3. 前記Ｎ極のマグネット及び前記Ｓ極のマグネットの総数をＰとし、
   前記電機子コアのスロット数が、Ｐ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３，…）で求められる数に設定されている請求項１又は請求項２記載の直流モータ。
4. 前記電機子コアは、周方向に沿って等間隔に配置された複数のティース部を備えており、
   前記巻線が前記ティース部の回りに巻回されることによって、各々の前記ティース部の回りにコイルが形成されており、
   前記回転子が回転している際に、一対の前記ブラシと前記コイルの周方向の中心とが同時に一致しないように前記一対のブラシが配置されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の直流モータ。
5. 前記巻線は、前記電機子コアに分布巻きにより巻回されている請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の直流モータ。
6. 前記固定子は、２つの前記Ｎ極のマグネットと、２つの前記Ｓ極のマグネットと、を含んで構成され、
   前記一対のブラシは、周方向に９０°ずらした位置に配置され、
   一の前記Ｎ極のマグネットの磁極中心及び一の前記Ｓ極のマグネットの磁極中心が、前記一対のブラシの周方向へ間隔が狭い側において前記一対のブラシの間に配置されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の直流モータ。

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