JP6485046B2 - 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。また、この文献に記載された直流モータでは、一対のブラシを磁極の着磁中心（すなわち磁極中心）からずらして配置している。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。

さらに、上記特許文献１に記載された直流モータでは、一対のブラシを磁極の着磁中心からずらす必要があるため、上記磁極中心の位置のばらつきにより、一対のブラシが所望の角度磁極の着磁中心からずらして配置されない虞れがある。

本発明は上記事実を考慮し、電流リップルを調整することができる直流モータを得ることを第１の目的とし、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を第２の目的とする。

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、前記電機子コアを覆うヨークハウジングの内周面に固定されていると共に周方向に沿って配置された複数のセグメントマグネットを有することによって磁極の数が２×Ｍ（Ｍ＝２，３，４・・・）とされた固定子と、を有し、前記電機子コアは、前記巻線が巻回される２×Ｍ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３・・・）のティース部と該ティース部と同数のスロットを有しており、複数の磁極のうち一対の磁極を基準磁極とすると共に他の一対の磁極を一般磁極とし、一の前記基準磁極と他の前記基準磁極との間を周方向に二等分する二等分線を基準仮想線とすると共に一の前記一般磁極と他の前記一般磁極との間を周方向に二等分する二等分線を一般仮想線とし、前記基準仮想線と前記一般仮想線とのなす角度が３６０°／Ｍに設定されており、前記基準磁極の磁極中心と前記基準仮想線とのなす角度が、前記一般磁極の磁極中心と前記一般仮想線とのなす角度と異なっており、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が、一対の前記基準磁極の磁極中心と周方向の同位置にそれぞれ配置されている。

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、当該磁界とセグメント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、基準磁極の磁極中心と基準仮想線とのなす角度を、一般磁極の磁極中心と一般仮想線とのなす角度と異ならせることにより、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、前記固定子は、Ｍ個のＮ極の前記セグメントマグネット及びＭ個のＳ極の前記セグメントマグネットを含んで構成されている。

請求項２記載の直流モータによれば、基準磁極を構成するＮ極のセグメントマグネット及びＳ極のセグメントマグネットと基準仮想線とのなす角度を、一般磁極を構成するＮ極のセグメントマグネット及びＳ極のセグメントマグネットと一般仮想線とのなす角度と異ならせることにより、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３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、前記固定子は、単一のＮ極の前記セグメントマグネット及び単一のＳ極の前記セグメントマグネットと、Ｎ極及びＳ極が着磁された２極着磁の前記セグメントマグネットと、を含んで構成されている。

請求項３記載の直流モータによれば、２極着磁の前記セグメントマグネットを含んで固定子が構成されていることにより、固定子を構成する部品の点数の増加を抑制することができる。

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、前記一般仮想線に対して周方向一方側に配置された前記一般磁極と該一般仮想線とのなす角度と、前記一般仮想線に対して周方向他方側に配置された前記一般磁極と該一般仮想線とのなす角度と、が同一の角度に設定されている。

請求項４記載の直流モータによれば、回転軸が周方向一方側に回転した場合及び周方向他方側に回転した場合の両方の場合において、同じ値の電流リップルを得ることができる。

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及び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。 他の実施形態の直流モータを示す図２に対応する拡大断面図である。

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、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は、後述するＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ２）の磁極中心ＬＮ２と周方向の同位置に配置されており、他のブラシ４４のは、後述するＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ２）の磁極中心ＬＳ２と周方向の同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ＬＮ１，ＬＮ２，ＬＳ１，ＬＳ２（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）が周方向に沿って不等間隔に配置されている。

ここで、基準磁極としての一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ２）と基準磁極としての一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ２）との間を周方向に二等分する二等分線を基準仮想線Ｌ２とすると共に、一般磁極としての他のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）と一般磁極としての他のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）との間を周方向に二等分する二等分線を一般仮想線Ｌ１とすると、本実施形態では、基準仮想線Ｌ２と一般仮想線Ｌ１とのなす角度が１８０°となるように各々のマグネット４８Ｎ，４８Ｓが配置されている。

また、Ｎ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ２）の磁極中心ＬＮ２と基準仮想線Ｌ２とのなす角度θ２が、Ｎ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の磁極中心ＬＮ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ１と異なる角度に設定されている。さらに、Ｓ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ２）の磁極中心ＬＳ２と基準仮想線Ｌ２とのなす角度θ２が、Ｓ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の磁極中心ＬＳ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ１と異なる角度に設定されている。なお、本実施形態では、角度θ２は４５°に設定されており、また、本実施形態では、一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の周方向一方側の端部Ｃ１と、一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の周方向他方側の端部Ｃ２と、が当接した状態でヨークハウジング４６の筒状部５０に固定されている。

（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、Ｎ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ２）の磁極中心ＬＮ２と基準仮想線Ｌ２とのなす角度θ２が、Ｎ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の磁極中心ＬＮ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ１と異なる角度に設定されていると共に、Ｓ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ２）の磁極中心ＬＳ２と基準仮想線Ｌ２とのなす角度θ２が、Ｓ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の磁極中心ＬＳ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ１と異なる角度に設定されている。そして、本実施形態では、上記θ１°の値を調整することにより、ブラシ４４と整流子２２（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、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）の磁極中心ＬＮ１，ＬＮ２，ＬＳ１，ＬＳ２が周方向に沿って等間隔に配置さ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及び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。この図に示されるように、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、本実施形態では、固定子１６が二つのＮ極のマグネット４８Ｎ及び二つのＳ極のマグネット４８Ｓを含んで構成されている。そのため、固定子１６がリングマグネットを含んで構成されている場合等に比して、上記θ１°の値を容易に調節することができる。

さらに、本実施形態では、一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の磁極中心ＬＮ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ２°と、一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の磁極中心ＬＳ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ２°と、が同一角度に設定されている。これにより、回転軸１８が周方向一方側に回転した場合及び周方向他方側に回転した場合の両方の場合において、同じ値の電流リップルを得ることができる。

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。

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、一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の磁極中心ＬＮ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ２°と、一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の磁極中心ＬＳ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度θ２°と、が同一角度に設定されている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、一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の磁極中心ＬＮ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度と、一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の磁極中心ＬＳ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度と、を異なる角度に設定してもよい。このように、一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）の磁極中心ＬＮ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度及び一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）の磁極中心ＬＳ１と一般仮想線Ｌ１とのなす角度は、電流リップルの値及び直流モータ１０が使用される際の回転軸１８の回転方向等を考慮して適宜設定すればよい。

また、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、単一のＮ極のマグネット４８Ｎ及び単一のＳ極のマグネット４８Ｓと、Ｎ極及びＳ極が着磁された２極着磁のマグネットと、を含んで固定子１６を構成することもできる。すなわち、本実施形態で用いた一のＮ極のマグネット４８Ｎ（Ｎ１）と一のＳ極のマグネット４８Ｓ（Ｓ１）とが一体化された構成のマグネットを含んで固定子１６を構成することもできる。当該構成とすることにより、固定子１６を構成する部品の点数の増加を抑制することができる。

また、図５に示されるように、３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を構成することもできる。なお、図５においては上記実施形態の固定子１６と同一機能を有する部材及び部分等には上記実施形態と同一の符号を付している。

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（セグメントマグネット），４８Ｓ…Ｓ極のマグネット（セグメントマグネット），ＬＮ１…磁極中心，ＬＮ２…磁極中心，ＬＳ１…磁極中心，ＬＳ２…磁極中心，Ｌ２…基準仮想線，Ｌ１…一般仮想線

Claims (4)

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、
   前記電機子コアを覆うヨークハウジングの内周面に固定されていると共に周方向に沿って配置された複数のセグメントマグネットを有することによって磁極の数が２×Ｍ（Ｍ＝２，３，４・・・）とされた固定子と、
   を有し、
   前記電機子コアは、前記巻線が巻回される２×Ｍ×（ｎ＋１．５）（ｎ＝１，２，３・・・）のティース部と該ティース部と同数のスロットを有しており、
   複数の磁極のうち一対の磁極を基準磁極とすると共に他の一対の磁極を一般磁極とし、
   一の前記基準磁極と他の前記基準磁極との間を周方向に二等分する二等分線を基準仮想線とすると共に一の前記一般磁極と他の前記一般磁極との間を周方向に二等分する二等分線を一般仮想線とし、
   前記基準仮想線と前記一般仮想線とのなす角度が３６０°／Ｍに設定されており、
   前記基準磁極の磁極中心と前記基準仮想線とのなす角度が、前記一般磁極の磁極中心と前記一般仮想線とのなす角度と異なっており、
   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が、一対の前記基準磁極の磁極中心と周方向の同位置にそれぞれ配置されている直流モータ。
2. 前記固定子は、Ｍ個のＮ極の前記セグメントマグネット及びＭ個のＳ極の前記セグメントマグネットを含んで構成されている請求項１記載の直流モータ。
3. 前記固定子は、単一のＮ極の前記セグメントマグネット及び単一のＳ極の前記セグメントマグネットと、Ｎ極及びＳ極が着磁された２極着磁の前記セグメントマグネットと、を含んで構成されている請求項１記載の直流モータ。
4. 前記一般仮想線に対して周方向一方側に配置された前記一般磁極と該一般仮想線とのなす角度と、前記一般仮想線に対して周方向他方側に配置された前記一般磁極と該一般仮想線とのなす角度と、が同一の角度に設定されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の直流モータ。

Images