JP2001238423A - 直流電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸方向の長さが短くコンパクトで、高速回転
可能で、かつ、信頼性の高い安価な直流電動機を提供す
ること。 【解決手段】 固定子巻線の各々に接続された複数の第
１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃと、直流電源に接続された
二つの第２のブラシ５ａ，５ｂと、第２のブラシの各々
と常に接触し回転軸７に取り付けられた第１及び第２給
電極６ａ，６ｂとを有する給電機構Ｓを設けた。また、
第１及び第２給電極６ａ，６ｂの各々に、回転軸７の円
周方向に連続して形成された円筒状基部６ａ１，６ｂ１
と、この基部と一体的に形成された複数の突設部６ａ
２，６ｂ２を設けた。さらに、突設部６ａ２，６ｂ２を
回転軸７の円周方向に所定の間隔で交互に形成し、第２
のブラシ５ａ，５ｂが円筒状基部６ａ１，６ｂ１にそれ
ぞれ常に接触する一方、第１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃ
が突設部６ａ２，６ｂ２に間欠的に順次接触するように
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は直流電動機に関し、
さらに詳しくは、永久磁石式回転子を有し、給電極が回
転する小型化が可能な直流電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の小型直流電動機は、界磁部の体積
を減少するために、界磁永久磁石の内側で鉄心にコイル
を施した電機子が回転する構造を一般的に採用してい
る。

【０００３】特開昭６０−１６２４６２号公報には、単
位体積当たりのトルクを増大させるとともに、さらなる
小型化を達成するようにした直流電動機が開示されてい
る。この直流電動機は、環状コイルが施された環状鉄心
を有する固定子と、永久磁石からなる回転子を備えてお
り、固定子の環状コイルの絶縁被膜の一部を周方向全長
にわたって剥離することにより整流子環を形成してい
る。また、回転軸に、整流子環に給電する第１のブラシ
と、第１のブラシに接続された集電環とを取り付け、ハ
ウジングに取り付けられた第２のブラシを介して集電環
に給電するようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の直流電動機
においては、空間の利用効率を向上させることにより電
動機の直径を減少させているが、第１のブラシと二つの
集電環がそれぞれ分割されていることから、軸方向に長
い構造となっている。また、第１のブラシと集電環とを
接続し回転軸と共に回転する配線も必要で、部品点数が
多く、直流電動機の小型化という観点から、まだまだ改
善の余地があった。

【０００５】本発明は、従来技術の有するこのような問
題点に鑑みてなされたものであり、軸方向の長さが短く
コンパクトで、高速回転可能で、かつ、信頼性の高い安
価な直流電動機を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、複数の固
定子巻線が施された固定子と偶数極に着磁された永久磁
石を有する回転子を備えた直流電動機であって、上記固
定子巻線の各々に接続された複数の第１のブラシと、直
流電源に接続された二つの第２のブラシと、該第２のブ
ラシの各々と常に接触し回転軸に取り付けられた第１及
び第２給電極とを有する給電機構を設け、上記第１及び
第２給電極の各々が上記回転軸の円周方向に連続して形
成された円筒状基部と、該円筒状基部と一体的に形成さ
れた複数の突設部を有し、上記第１給電極の突設部と上
記第２給電極の突設部が上記回転軸の円周方向に所定の
間隔で交互に形成され、上記第２のブラシが上記第１及
び第２給電極の円筒状基部にそれぞれ常に接触する一
方、上記第１のブラシが上記第１及び第２給電極の突設
部に間欠的に順次接触するようにしたことを特徴とす
る。

【０００７】また、請求項２に記載の発明は、上記第１
のブラシの一つが上記第１及び第２給電極の一方に接触
している時に、上記第１のブラシの少なくとも他の一つ
が上記第１及び第２給電極の他方に接触するようにした
ことを特徴とする。

【０００８】さらに、請求項３に記載の発明は、上記第
１及び第２給電極の隣接する突設部間に絶縁材料を充填
したことを特徴とする。

【０００９】また、請求項４に記載の発明は、少なくと
も一つのスイッチをさらに設け、該スイッチを切り換え
ることにより、始動時は直流電源より給電する一方、所
定の回転数に達すると商用交流電源より給電するように
したことを特徴とする。

【００１０】また、請求項５に記載の発明は、Δ結線で
始動し、所定の回転数に達するとＹ結線に切り換えるよ
うにしたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。 実施の形態１．図１及び図２は、本発明の実施の形態１
にかかる直流電動機Ｍ１を示しており、ハウジング１の
内部に、回転磁界を発生する固定子巻線が施された固定
子（図示せず）と、偶数極に着磁された永久磁石式回転
子（図示せず）が設けられている。固定子の３相のコイ
ルは、コイル端子線２ａ，２ｂ，２ｃを介してハウジン
グ１の外部に引き出されており、ハウジング１の端部に
は給電機構Ｓが設けられている。

【００１２】給電機構Ｓにおいては、回転軸７の円周方
向に所定の間隔で離間した三つの第１のブラシ３ａ，３
ｂ，３ｃと、回転軸７の軸方向に所定距離離間した正負
の給電用の第２のブラシ５ａ，５ｂが取り付けられてお
り、第１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃはコイル端子線２
ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ接続される一方、第２のブラ
シ５ａ，５ｂはＤＣ電源（図示せず）等に接続された正
負の配線４ａ，４ｂにそれぞれ接続されている。

【００１３】また、回転軸７には、二つの給電極６ａ，
６ｂが軸方向に所定距離離間した状態で取り付けられて
おり、各給電極６ａ，６ｂは、円周方向に連続的に形成
された円筒状基部６ａ１，６ｂ１と、円筒状基部６ａ
１，６ｂ１と一体的に形成された二つの突設部６ａ２，
６ｂ２とからなる。給電極６ａの突設部６ａ２は、給電
極６ｂの二つの突設部６ｂ２の間に形成された凹部に嵌
入する構造（はめあい構造）となっており、隣接する二
つの突設部６ａ２，６ｂ２は所定幅の空間８により絶縁
されている。この空間８には絶縁材料を充填してもよい
が、絶縁材料を充填することなく、隣接する二つの突設
部６ａ２，６ｂ２を空気により絶縁してもよい。

【００１４】さらに、第１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃは
給電極６ａ，６ｂの突設部６ａ２，６ｂ２あるいは空間
８と対向する一方、第２のブラシ５ａ，５ｂは給電極６
ａ，６ｂの円筒状基部６ａ１，６ｂ１と対向しており、
回転軸７が回転すると、第１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃ
は給電極６ａ，６ｂの突設部６ａ２，６ｂ２と間欠的に
順次接触する一方、第２のブラシ５ａ，５ｂは給電極６
ａ，６ｂの円筒状基部６ａ１，６ｂ１と常に接触してい
る。

【００１５】上記構成の直流電動機Ｍ１において、ＤＣ
電源より配線４ａ，４ｂを介して第２のブラシ５ａ，５
ｂに給電すると、第２のブラシ５ａ，５ｂと常に接触し
ている給電極６ａ，６ｂにＤＣ電流が供給される。ま
た、第１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃは、給電極６ａ，６
ｂの突設部６ａ２，６ｂ２と順次接触することから、給
電極６ａ，６ｂと第１のブラシ３ａ，３ｂ，３ｃとの接
続が順次切り換わり、給電極６ａ，６ｂに供給されたＤ
Ｃ電流が整流される。このＤＣ電流は、コイル端子線２
ａ，２ｂ，２ｃを介して固定子巻線に供給される。その
結果、固定子に回転磁界が発生するので、固定子と回転
子間にトルクが発生し、回転子が回転する。

【００１６】なお、給電極６ａ，６ｂと第１のブラシ３
ａ，３ｂ，３ｃは所定の位置関係にあり、この関係を図
３を参照しながら説明する。

【００１７】図３に示されるように、隣接する二つのブ
ラシ３ａ，３ｂ，３ｃ間の極弧角をθａ、各ブラシ３
ａ，３ｂ，３ｃの極弧角をθｂ、給電極６ａ，６ｂの各
突設部６ａ２，６ｂ２の極弧角をθｃ、突設部６ａ２，
６ｂ２間の極弧角をθｄ（極弧角の単位：度）、回転子
に設けられた永久磁石の極対数をＰｎ、第１のブラシの
数をｋとする。本発明にかかる直流電動機においては、
通常の直流電動機のブラシが給電極６ａ，６ｂに相当
し、整流子がブラシ３ａ，３ｂ，３ｃに相当することか
ら、 （イ）少なくとも二つの第１のブラシを給電極６ａ，６
ｂの突設部６ａ２，６ｂ２にそれぞれ接触させる。 （ロ）θｃあるいはθｂ＋θｃを、１８０／Ｐｎより小
さく設定する。 （ハ）ブラシ同士の接触を防止する。

【００１８】これらの条件より、 θａ≦θｂ＋θｃ＜１８０／Ｐｎ …（１） θｃ＜１８０／Ｐｎ …（２） θｂ＜３６０／ｋ …（３） なる関係を満足するように、給電極６ａ，６ｂと第１の
ブラシ３ａ，３ｂ，３ｃとの位置関係を設定する。ただ
し、式（１）を満足すると、式（２）は必ず満足するの
で、式（２）は必ずしも必要ではない。

【００１９】また、図４に示されるように、給電極６
ａ，６ｂの各突設部６ａ２，６ｂ２の極弧角θｃを小さ
くし、固定子巻線の各々に接続される第１のブラシ３ａ
〜３ｌを増加して、多相（図４は１２相）コイルを有す
る直流電動機に利用することもできる。なお、図４では
給電極６ａ２あるいは６ｂ２が互いに電気角で同位相に
位置するため、固定子側で同位相の第１のブラシを接続
すれば、通常の直流機と同様にブラシ数を２個としても
成立することは言うまでもない。

【００２０】ただし、図３に示されるように、θｂ＜θ
ｃの関係とすれば、給電極６ａ，６ｂの突設部６ａ２，
６ｂ２間の極弧角をθｄを大きく設定することが容易で
ある。従来の直流電動機では、ブラシ幅が極弧角θｃに
相当し、ブラシの製作上の限界からこれを大型化するこ
とが困難であったが、本発明にかかる直流電動機では、
θｄを大きく設定することができるため、転流時の電流
を遮断する際に生じる所謂フラッシュオーバに対して
は、絶縁距離が大きいことからフラッシュオーバ時のア
ーク維持による電極の損耗の影響を減少することができ
る。

【００２１】また、通常のコイル回転型の直流電動機で
は、コイルが回転するために、コイル支持強度の点で高
速回転が要求される用途には限界があったが、本発明に
かかる直流電動機の構造によれば、コイルに遠心力は働
かない。したがって、磁石埋め込み型の回転子やＳＵＳ
ＣＡＮで補強した回転子等を採用することで高速回転可
能な直流電動機を得ることができ、電動工具等に適用す
ることによりさらなる高速化を達成できる。

【００２２】さらに、永久磁石を回転子に取り付けたの
で、極めて低慣性の回転子となり、応答性に優れてい
る。したがって、電動パワーステアリング等の低慣性が
要求される用途では、操舵感に優れたパワーステアリン
グを実現することができる。また、スリップリングと整
流子に接触する電極を一体化した給電極構造であるた
め、整流された電流を固定子巻線に取り出す際にシャフ
ト内配線等を必要とせず、極めて単純かつコンパクトな
構造であり、量産性に優れた安価な直流電動機を提供す
ることができる。

【００２３】なお、上記実施の形態は直流電動機を例に
取り説明したが、３相電動機であっても、コイル端子線
２ａ，２ｂ，２ｃにＵ，Ｖ，Ｗ相のコイルをそれぞれ接
続すれば、順次通電相が切り換わって動作可能である。
すなわち、複雑な制御回路がなくても、ＤＣ電圧をチョ
ッパ回路等で制御するだけで、回転数、トルクを制御す
ることができ、３相電動機を直流電動機のごとく駆動す
ることができる。

【００２４】したがって、災害等で３相交流が得られな
い状況でも、本発明にかかる給電機構を装着すれば、バ
ッテリや自動車等のＤＣ電源から駆動することができ、
非常時のＤＣ電源によるバックアップ可能な３相電動機
を提供することができる。また、停電に強い給水ポンプ
等に適用することもできる。

【００２５】実施の形態２．図５は、本発明の実施の形
態２にかかる内転式永久磁石電動機Ｍ２を示しており、
３相のＹ結線のコイル９ａ，９ｂ，９ｃと、図２に示さ
れる給電機構Ｓと、スイッチ１０とを備えている。スイ
ッチ１０は、３相商用交流電源Ｐにも接続されており、
給電機構Ｓの給電回路と３相商用交流電源Ｐからの給電
回路とを切り換えるためのものである。

【００２６】起動時は、スイッチ１０の各端子はブラシ
側（図５では下側）に接点が切り換わり、３相からダイ
オードブリッジを介して得られた直流電源等から給電機
構Ｓを介してコイル９ａ，９ｂ，９ｃに給電することに
より自己起動する。電動機Ｍ２の回転数が徐々に上昇
し、商用電源Ｐで同期引き入れ可能な所定の回転数に達
すると、スイッチ１０の各端子は商用側（図５では上
側）に接点が切り換わり、コイル９ａ，９ｂ，９ｃに商
用電源Ｐより直接給電され、同期引き入れして駆動され
る。

【００２７】したがって、商用周波に対し自己起動不能
な永久磁石電動機であっても、給電機構Ｓが周波数変換
装置として作用し、同期引き入れ速度まで加速すること
が可能となる。その結果、インバータ等の高価な周波数
変換装置がなくとも運転可能な３相の内転式永久磁石電
動機を安価に提供することができる。

【００２８】実施の形態３．図６は、本発明の実施の形
態３にかかる内転式永久磁石電動機Ｍ３を示しており、
３相のΔ結線のコイル９ａ，９ｂ，９ｃと、図２に示さ
れる給電機構Ｓと、二つのスイッチ１１，１２とを備え
ている。スイッチ１１は、３相商用電源Ｐにも接続され
ており、給電機構Ｓの給電回路と３相商用電源Ｐからの
給電回路とを切り換えるためのものである。

【００２９】起動時は、スイッチ１１，１２の各端子は
ブラシ側（図６では右側）に接点が切り換わり、３相か
らダイオードブリッジを介して得られた直流電源等から
給電機構Ｓを介してΔ結線のコイル９ａ，９ｂ，９ｃに
給電することにより自己起動する。電動機の回転数が徐
々に上昇し、商用電源Ｐで同期引き入れ可能な所定の回
転数に達すると、スイッチ１１，１２の各端子は商用側
（図６では左側）に接点が切り換わり、Δ結線よりＹ結
線に切り換わったコイル９ａ，９ｂ，９ｃに商用電源Ｐ
より直接給電され、同期引き入れして駆動される。

【００３０】したがって、商用周波に対し自己起動不能
な永久磁石電動機であっても、給電機構Ｓが周波数変換
装置として作用し、同期引き入れ速度まで加速すること
が可能となる。その結果、インバータ等の高価な周波数
変換装置がなくとも運転可能な３相の内転式永久磁石電
動機を安価に提供することができる。

【００３１】なお、図５の構成では、まだ通電している
電流を強制的に給電極で整流しているので、相誘起電圧
差によって生じる短絡電流がある。これらによるアーク
が激しいために高圧電動機では著しく電極が消耗する。

【００３２】しかしながら、図６の構成では、起動時に
はΔ結線として通常の直流電動機と等価なコイル結線と
している。これにより、通電コイルを短絡した状態で転
流するために、通電電流、コイル間の誘起電圧差による
アークを解消することができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。本
発明のうちで請求項１に記載の発明によれば、二つの第
２のブラシが第１及び第２給電極の円筒状基部にそれぞ
れ常に接触する一方、複数の第１のブラシが第１及び第
２給電極の突設部に間欠的に順次接触するようにしたの
で、従来のスリップリングと整流子に接触する電極を一
体化した構造となり、部品点数を減少することができる
とともに軸方向の長さを短縮することができ、コンパク
トな直流電動機を提供することができる。また、回転軸
とともに回転する配線等を必要としないので、高速回転
が可能となる。

【００３４】また、請求項２に記載の発明によれば、第
１のブラシの一つが第１及び第２給電極の一方に接触し
ている時に、第１のブラシの少なくとも他の一つが第１
及び第２給電極の他方に接触するようにしたので、回転
磁界を確実に発生させることができ、信頼性の高い直流
電動機を提供することができる。

【００３５】さらに、請求項３に記載の発明によれば、
第１及び第２給電極の隣接する突設部間に絶縁材料を充
填したので、第１のブラシと第１及び第２給電極との擦
動が円滑に行われ、信頼性の高い直流電動機を提供する
ことができる。

【００３６】また、請求項４に記載の発明によれば、少
なくとも一つのスイッチを切り換えることにより、始動
時は直流電源より給電する一方、所定の回転数に達する
と商用交流電源より給電するようにしたので、高価な周
波数変換装置を必要とすることなく自己起動が可能で、
商用交流電源でも運転可能な効率的で安価な直流電動機
を提供することができる。

【００３７】また、請求項５に記載の発明によれば、Δ
結線で始動し、所定の回転数に達するとＹ結線に切り換
えるようにしたので、通電コイルを短絡した状態で転流
することができ、誘起電圧差によるアークが発生するこ
とのない信頼性の高い直流電動機を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１にかかる直流電動機の
斜視図である。

【図２】 図１の直流電動機に設けられた給電機構の斜
視図である。

【図３】 図１の線III-III線に沿った概略断面図であ
る。

【図４】 図３の変形例を示す概略断面図である。

【図５】 本発明の実施の形態２にかかる直流電動機の
回路図である。

【図６】 本発明の実施の形態３にかかる直流電動機の
回路図である。

【符号の説明】

１ ハウジング、 ２ａ，２ｂ，２ｃ コイル端子線、
３ａ〜３ｌ 第１のブラシ、 ４ａ，４ｂ 配線、 ５
ａ，５ｂ 第２のブラシ、６ａ，６ｂ 給電極、 ６ａ
１，６ｂ１ 基部、 ６ａ２，６ｂ２ 突設部、７ 回
転軸、 ８ 空間、 ９ａ，９ｂ，９ｃ コイル、１
０，１１，１２ スイッチ、 Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 直流
電動機、Ｐ 商用交流電源、 Ｓ 給電機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大重 豊実 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5H571 AA03 BB03 BB07 CC01 CC05 CC09 EE09 FF01 GG07 5H613 AA03 BB14 BB35 5H623 BB03 BB07 GG11 HH04 LL13

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の固定子巻線が施された固定子と偶
   数極に着磁された永久磁石を有する回転子を備えた直流
   電動機であって、 上記固定子巻線の各々に接続された複数の第１のブラシ
   と、直流電源に接続された二つの第２のブラシと、該第
   ２のブラシの各々と常に接触し回転軸に取り付けられた
   第１及び第２給電極とを有する給電機構を設け、上記第
   １及び第２給電極の各々が上記回転軸の円周方向に連続
   して形成された円筒状基部と、該円筒状基部と一体的に
   形成された複数の突設部を有し、上記第１給電極の突設
   部と上記第２給電極の突設部が上記回転軸の円周方向に
   所定の間隔で交互に形成され、上記第２のブラシが上記
   第１及び第２給電極の円筒状基部にそれぞれ常に接触す
   る一方、上記第１のブラシが上記第１及び第２給電極の
   突設部に間欠的に順次接触するようにしたことを特徴と
   する直流電動機。
2. 【請求項２】 上記第１のブラシの一つが上記第１及び
   第２給電極の一方に接触している時に、上記第１のブラ
   シの少なくとも他の一つが上記第１及び第２給電極の他
   方に接触するようにした請求項１に記載の直流電動機。
3. 【請求項３】 上記第１及び第２給電極の隣接する突設
   部間に絶縁材料を充填した請求項１あるいは２に記載の
   直流電動機。
4. 【請求項４】 少なくとも一つのスイッチをさらに設
   け、該スイッチを切り換えることにより、始動時は直流
   電源より給電する一方、所定の回転数に達すると商用交
   流電源より給電するようにした請求項１乃至３のいずれ
   か１項に記載の直流電動機。
5. 【請求項５】 Δ結線で始動し、所定の回転数に達する
   とＹ結線に切り換えるようにした請求項４に記載の直流
   電動機。