JP2003189572A - 集中巻型ブラシ付ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】極対数、スロット数の関係を整理して、モータ
効率の向上を図ること。 【解決手段】集中巻型ブラシ付ＤＣモータは、Ｎ・Ｓ極
を一極対とする複数の極対５よりなる界磁石４と、シャ
フト６と、複数のセグメント７ａよりなる整流子７と、
電機子８とを含む。電機子８の隣り合うスロット９の間
に巻いたコイル１０は集中巻型の巻線１１を構成する。
整流子７に、複数のブラシ１２が接触可能に設けられ
る。極対５の数（極対数Ｎｐ）と、スロット９の数（ス
ロット数Ｎｓ）とを、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋１］又は［Ｎ
ｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満
たすように設定する。極対数Ｎｐを奇数に設定し、相対
向するセグメント７ａを互いに導通させ、従来は相対向
する一対をなすブラシ１２の一方を省略すると共に、相
対向するコイル１０を互いに逆向きに巻く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、集中巻型の巻線
型ロータとブラシを備えた集中巻型ブラシ付ＤＣモータ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、各種機器の駆動源としてＤＣ
モータが広く使用されている。ＤＣモータは、小型で駆
動トルクが大きく、電子回路による速度制御や位置決め
制御が容易であるという優れた特性を備えている。

【０００３】ここで、ＤＣモータの基本構造を図１２を
参照して説明する。図１２と次の説明では、刊行物
（『イラスト・図解／小型モータのすべて』見城尚志＋
佐渡友茂著／技術評論社）の中の図３.２とその説明記
載の一部が引用される。

【０００４】図１２において、ＤＣモータ５１は、ステ
ータ５２と、ステータ５２の中で回転するロータ５３と
を備える。ステータ５２は、ヨークを兼ねたハウジング
５４と、ハウジング５４の内側に配置された界磁石５５
とを含む。ハウジング５４の上下はブラケット５６，５
７により塞がれる。界磁石５５は、基礎となる磁束を作
る磁石である。ハウジング５４は、主として鉄より構成
され、界磁石５５とともに磁気回路（磁界）を構成す
る。一方のブラケット５６には、端子５８に接続された
ブラシ５９が設けられる。ロータ５３は、シャフト６０
と、シャフト６０上に設けられたベアリング６１、整流
子６２及び電機子６３とを含む。電機子６３には、巻線
６４が設けられる。巻線６４は、電機子６３の複数の鉄
心溝（スロット）６５に挿入された各コイルが結線され
ることにより構成される。整流子６２には、ブラシ５９
が接触して巻線６４に電流を流す。巻線６４に電流が流
れることにより、電機子６３に回転力が発生する。

【０００５】ここで、巻線６４として、従来より、図１
２に示すように、コイルをたすき状に巻いた「重ね巻型
（分布巻型）」が多く用いられているが、製造工程の簡
素化、小型化及び効率の観点から、隣り合うスロット６
５の間にコイルを巻く「集中巻型」の方が有利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な集中巻型ブラシ付ＤＣモータでは、その用途や大きさ
によって、界磁石５５を構成するＮ極・Ｓ極の対数（極
対数）やスロット６５の数（スロット数）が異なる。
又、巻線６４を構成する各コイルの数によって、ブラシ
５９の数も異なる。本願出願人は、これらのパラメータ
の関係を検討したところ、モータ効率の向上につながる
有効な関係を見出した。

【０００７】そこで、本発明の目的は、これら極対数及
びスロット数等の関係を整理することにより、一層の効
率向上を図ることを可能とした集中巻型ブラシ付ＤＣモ
ータを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、ステータ及びロータと、
ステータは、Ｎ極とＳ極を一極対とする複数の極対より
なる界磁石を含むことと、ロータは、シャフトと、その
シャフト上に設けられた整流子及び電機子とを含むこと
と、整流子は、複数のセグメントにより構成されること
と、電機子は、複数のスロットを含み、隣り合うスロッ
ト間にコイルを巻いて集中巻型の巻線が設けられること
と、整流子に接触可能に設けられ、シャフトを中心に対
向配置された一対をなす複数組の通電用のブラシとを備
えた集中巻型ブラシ付ＤＣモータにおいて、界磁石の極
対の数（Ｎｐ）と、スロットの数（Ｎｓ）とを、［Ｎｓ
＝２×Ｎｐ＋１］又は［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、
Ｎｐは自然数）の関係を満たす値に設定したことを趣旨
とする。

【０００９】上記発明の構成によれば、極対の数（Ｎ
ｐ）と、スロットの数（Ｎｓ）との関係が適正化され、
相対的に高いモータ効率が得られる。

【００１０】上記目的を達成するために、請求項２に記
載の発明は、請求項１に記載の発明において、界磁石の
極対の数（Ｎｐ）と、スロットの数（Ｎｓ）とを、［Ｎ
ｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満
たす値に設定し、極対の数（Ｎｐ）を偶数の値に設定
し、整流子のうち相対向するセグメントを互いに導通さ
せると共に、複数組のブラシのうち相対向するブラシの
一方を省略したことを趣旨とする。

【００１１】上記発明の構成によれば、請求項１に記載
の発明の作用に加え、ブラシの数が半減する。

【００１２】上記目的を達成するために、請求項３に記
載の発明は、請求項１に記載の発明において、界磁石の
極対の数（Ｎｐ）と、スロットの数（Ｎｓ）とを、［Ｎ
ｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満
たす値に設定し、極対の数（Ｎｐ）を奇数の値に設定
し、整流子のうち相対向するセグメントを互いに導通さ
せ、複数組のブラシのうち相対向するブラシの一方を省
略すると共に、複数のコイルのうち相対向するコイルを
互いに逆向きに巻いたことを趣旨とする。

【００１３】上記発明の構成によれば、請求項１に記載
の発明の作用に加え、ブラシの数が半減する。

【００１４】

【発明の実施の形態】［第１の実施の形態］以下、本発
明の集中巻型ブラシ付ＤＣモータを具体化した第１の実
施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

【００１５】本実施の形態の集中巻型ブラシ付ＤＣモー
タにおけるブラシ付ＤＣモータとしての基本構造は、従
来例で説明した図１２に示すものと基本的に同じであ
る。図１には、本実施の形態の集中巻型ブラシ付ＤＣモ
ータの構成の主要部を平面図に示す。

【００１６】このブラシ付ＤＣモータは、ステータ１及
びロータ２を備える。ステータ１は、ヨークを兼ねたハ
ウジング３と、そのハウジング３の内側に配置された環
状の界磁石４とを含む。界磁石４は、隣り合うＮ極とＳ
極を一極対とする複数組の極対５より構成される。

【００１７】ロータ２は、シャフト６と、そのシャフト
６上に設けられた整流子７及び電機子８とを含む。電機
子８は、鉄からなる積層板であって、複数の電機子コア
２ａと、複数のスロット（鉄心溝）９を含み、隣り合う
スロット９の間にはコイル１０が巻かれ、それらコイル
１０により集中巻型の巻線１１が構成される。

【００１８】図１に示すように、整流子７は、複数の扇
形のセグメント７ａにより円柱状に構成される。各セグ
メント７ａは、スリット７ｂを介して互いに分離する。
この整流子７の端面には、通電用の複数のブラシ１２が
接触可能に設けられる。これらブラシ１２は、ハウジン
グ３の端部を覆うブラケット（図示略）に支持される。

【００１９】以上が、集中巻形ブラシ付ＤＣモータとし
ての基本構造である。

【００２０】ここで、本実施の形態のＤＣモータは、次
の様なような設定により特徴付けられる。即ち、この実
施の形態のＤＣモータは、図２に示すように、整流子７
の各セグメント７ａと各コイル１０との結線方法をスタ
ー結線としている。この実施の形態で、界磁石４の極対
５の数（以下「極対数」と言う。）Ｎｐを奇数である
「３」とし、スロット９の数（以下「スロット数」と言
う。）Ｎｓを「８」としている。つまり、［Ｎｓ＝２×
Ｎｐ＋１］又は［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは
自然数）の関係を満たすように、特に、本実施の形態で
は、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然数）の
関係を満たすように、スロット数Ｎｓと極対数Ｎｐとの
関係が設定されている。

【００２１】ここで、スロット数Ｎｓと極対数Ｎｐを
［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋１］又は［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］
（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満たすものとしたの
は、以下の理由による。図４に、極対数Ｎｐと、スロッ
ト数Ｎｓと、モータ効率との関係をグラフに示す。この
グラフの３つの曲線は、極対数Ｎｐが「２」，「３」，
「４」の場合のスロット数Ｎｓに対するモータ効率（出
力／入力）の関係を示す。これら曲線から、極対数Ｎｐ
が「２」の場合は、スロット数Ｎｓが「５又は６」で相
対的に効率がよく適正値であることが確かめられた。極
対数Ｎｐが「３」の場合は、スロット数Ｎｓが「７又は
８」で相対的に効率がよく適正値であることが確かめら
れた。極対数Ｎｐが「４」の場合は、スロット数Ｎｓが
「９又は１０」で相対的に効率がよく適正値であること
が確かめられた。

【００２２】ここで、図４における各曲線の最大値から
考えると、スロット数Ｎｓの適正値は、上記のものとは
異なると言える。即ち、極対数Ｎｐが「２」の場合は、
スロット数Ｎｓが「５又は６」ではなく「４又は５」と
なり、極対数Ｎｐが「３」の場合は、スロット数Ｎｓが
「７又は８」ではなく「６又は７」となり、極対数Ｎｐ
が「４」の場合は、スロット数Ｎｓを「９又は１０」で
はなく「８又は９」とすることができる。従って、スロ
ット数Ｎｓと極対数Ｎｐとの関係を、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ
＋１］又は［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然
数）ではなく、［Ｎｓ＝２Ｎｐ］又は［Ｎｓ＝２Ｎｐ＋
１］（但し、Ｎｐは自然数）とすることもできる。

【００２３】しかし、スロット数Ｎｓと極対数Ｎｐとの
関係を［Ｎｓ＝２Ｎｐ］又は［Ｎｓ＝２Ｎｐ＋１］（但
し、Ｎｐは自然数）とした場合、スロット数Ｎｓが偶数
となる［Ｎｓ＝２Ｎｐ］の場合を考えると、一般に、複
数のブラシは極対数Ｎｐの半分のピッチで配列され、整
流子のセグメントは、スロット数Ｎｓと同じになること
から、［Ｎｓ＝２Ｎｐ］の関係を成立させたとすると、
ブラシとセグメントとが同じピッチでの配列となってし
まう。このため、図５に示すように、各ブラシの接触が
隣のセグメントへ切り替わるときに、隣り合うブラシが
同じセグメントを介して短絡状態となってしまい、大電
流が流れる不具合が生じてしまう。これを回避するため
に、スロット数Ｎｓが偶数となる場合に［Ｎｓ＝２Ｎ
ｐ］の関係より数の大きい［Ｎｓ＝２Ｎｐ＋２］となる
関係を選択しているのである。スロット数Ｎｓが奇数と
なる場合、即ち［Ｎｓ＝２Ｎｐ＋１］の関係は、上記短
絡について支障はない。このような理由から、スロット
数Ｎｓと極対数Ｎｐの関係を［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋１］又
は［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然数）を満
たすものとしているのである。

【００２４】この実施の形態では、図２に示すように、
整流子７のうちシャフト６を中心に相対向するセグメン
ト７ａを互いに電気的に導通させている。更に、ブラシ
１２については、従来は、図３に示すように、シャフト
６を中心に対向配置された一対をなすものが複数組設け
られるのに対して、この実施の形態では、図２に示すよ
うに、相対向するブラシ１２の一方が省略されている。
図３における従来のブラシ１２の配置では、相対向する
一対のブラシ１２につき、磁気的な極性変化についても
両者は同じものであることから、本実施の形態のように
相対向するセグメント７ａを互いに導通させたもので
は、一方のブラシ１２を省略しても機能的に支障はな
い。

【００２５】加えて、この実施の形態では、複数のコイ
ル１０のうち、シャフト６を中心に相対向するコイル１
０が互いに逆向きに巻かれている。

【００２６】従って、この実施の形態では、極対数Ｎｐ
と、スロット数Ｎｓとの関係が適正化され、相対的に高
いモータ効率が得られるようになる。図４のグラフから
明らかなように、極対数Ｎｐが「３」の曲線につき、ス
ロット数Ｎｓが「８」のときの効率は「約８５％」であ
り、相対的に高い効率が得られることが分かる。このよ
うに、極対数Ｎｐ、スロット数Ｎｓ等の関係を整理する
ことにより、集中巻型ブラシ付ＤＣモータとして相対的
に高いモータ効率を確実に得ることができるようにな
る。

【００２７】しかも、この実施の形態では、従来の一般
的な構成に対してブラシ１２の数が半減するので、その
分だけ部品点数の低減と、構成の簡略化を図ることがで
きる。

【００２８】［第２の実施の形態］次に、本発明の集中
巻型ブラシ付ＤＣモータを具体化した第２の実施の形態
を図面に従って詳細に説明する。

【００２９】尚、本実施の形態を含む以下の各実施の形
態において、前記第１の実施の形態と同等の構成につい
ては、同一の符号を付して説明を省略し、以下には異な
った点を中心に説明する。

【００３０】図６は、図２に準ずるものである。この実
施の形態では、３つのブラシ１２の配置の点で、第１の
実施の形態と構成が異なるだけである。従って、この実
施の形態の集中巻型ブラシ付ＤＣモータについても、第
１の実施の形態のそれと同様の作用及び効果を得ること
ができる。

【００３１】［第３の実施の形態］次に、本発明の集中
巻型ブラシ付ＤＣモータを具体化した第３の実施の形態
を図面に従って詳細に説明する。

【００３２】図７は、図２に準ずるものである。この実
施の形態では、整流子７の各セグメント７ａと各コイル
１０との結線方法をデルタ結線としている点で、第１及
び第２の実施の形態と構成が異なるだけである。従っ
て、この実施の形態の集中巻型ブラシ付ＤＣモータにつ
いても、第１及び第２の実施の形態のそれと同様の作用
及び効果を得ることができる。

【００３３】［第４の実施の形態］次に、本発明の集中
巻型ブラシ付ＤＣモータを具体化した第４の実施の形態
を図面に従って詳細に説明する。

【００３４】図８は、図２に準ずるものである。この実
施の形態では、整流子７の各セグメント７ａと各コイル
１０との結線方法をスター結線としている。極対数Ｎｐ
を偶数である「４」とし、スロット数Ｎｓを「１０」と
している。即ち、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐ
は自然数）の関係を満たすように、スロット数Ｎｓと極
対数Ｎｐとの関係が設定されている。つまり、この実施
の形態では、４組の極対５と、１０個のスロット９が設
けられている。

【００３５】又、この実施の形態では、図８に示すよう
に、整流子７のうちシャフト６を中心に相対向するセグ
メント７ａを互いに電気的に導通させている。更に、ブ
ラシ１２については、従来は、図９に示すように、シャ
フト６を中心に対向配置された一対をなすものが複数組
設けられるのに対して、この実施の形態では、図８に示
すように、相対向するブラシ１２の一方が省略されてい
る。図９における従来のブラシ１２の配置では、相対向
する一対のブラシ１２につき、磁気的な極性変化につい
ても両者は同じであることから、本実施の形態のように
相対向するセグメント７ａを互いに導通させたもので
は、一方のブラシ１２を省略しても機能的に支障はな
い。

【００３６】従って、この実施の形態では、極対数Ｎｐ
と、スロット数Ｎｓとの関係が適正化され、相対的に高
いモータ効率が得られるようになる。図４のグラフから
明らかなように、極対数Ｎｐが「４」の曲線につき、ス
ロット数Ｎｓが「１０」のときの効率は「約８５％」で
あり、相対的に高い効率が得られることが分かる。この
ように、極対数Ｎｐ、スロット数Ｎｓ等の関係を整理す
ることにより、集中巻型ブラシ付ＤＣモータとして相対
的に高いモータ効率を確実に得ることができるのであ
る。

【００３７】しかも、この実施の形態では、従来の一般
的な構成に対してブラシ１２の数が半減されるので、そ
の分だけ部品点数の低減と、構成を簡略化を図ることが
できる。

【００３８】［第５の実施の形態］次に、本発明の集中
巻型ブラシ付ＤＣモータを具体化した第５の実施の形態
を図面に従って詳細に説明する。

【００３９】図１０は、図８に準ずるものである。この
実施の形態では、４つのブラシ１２の配置の点で、第４
の実施の形態と構成が異なるだけである。従って、この
実施の形態の集中巻型ブラシ付ＤＣモータについても、
第４の実施の形態のそれと同様の作用及び効果を得るこ
とができる。

【００４０】［第６の実施の形態］次に、本発明の集中
巻型ブラシ付ＤＣモータを具体化した第６の実施の形態
を図面に従って詳細に説明する。

【００４１】図１１は、図８に準ずるものである。この
実施の形態では、整流子７の各セグメント７ａと各コイ
ル１０との結線方法をデルタ結線としている点で、第４
及び第５の実施の形態と構成が異なるだけである。 従
って、この実施の形態の集中巻型ブラシ付ＤＣモータに
ついても、第４及び第５の実施の形態のそれと同様の作
用及び効果を得ることができる。

【００４２】尚、この発明は前記各実施の形態に限定さ
れるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範
囲で構成の一部を適宜に変更して次のように実施するこ
ともできる。

【００４３】（１）前記各実施の形態では、極対数Ｎｐ
とスロット数Ｎｓとの関係につき、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋
２］（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満たすように設定
したが、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋１］（但し、Ｎｐは自然
数）の関係を満たすように設定することもできる。この
場合も、極対数及びスロット数の関係を整理することに
より、集中巻型ブラシ付ＤＣモータとしてのモータ効率
を確実に向上させることができる。

【００４４】（２）前記各実施の形態では、極対数Ｎｐ
とスロット数Ｎｓとの関係につき、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋
２］（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満たすように設定
すると共に、整流子７の相対向するセグメント７ａを互
いに導通させ、従来は相対向していた一対のブラシ１２
の一方を省略するようにした。これに対して、整流子７
の相対向するセグメント７ａを互いに導通させ、従来は
相対向していた一対のブラシ１２の一方を省略すること
の限定を除くこともできる。この場合も、極対数及びス
ロット数の関係を整理することにより、集中巻型ブラシ
付ＤＣモータとしてのモータ効率を確実に向上させるこ
とができる。

【００４５】

【発明の効果】請求項１に記載の発明の構成によれば、
極対数及びスロット数の関係を整理することにより、集
中巻型ブラシ付ＤＣモータとしてのモータ効率を確実に
向上させることができる。

【００４６】請求項２に記載の発明の構成によれば、請
求項１に記載の発明の効果に加え、従来の一般的な構成
に対してブラシの数が半減する分だけ部品点数の低減
と、構成の簡略化を図ることができる。

【００４７】請求項３に記載の発明の構成によれば、請
求項１に記載の発明の効果に加え、従来の一般的な構成
に対してブラシの数が半減する分だけ部品点数の低減
と、構成の簡略化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係り、集中巻型ブラシ付Ｄ
Ｃモータの主要部を示す平面図である。

【図２】整流子の各セグメントと各コイルとの結線及び
各ブラシの配置の関係を示す平面図である。

【図３】図２と対比される従来の関係を示す平面図であ
る。

【図４】極対数、スロット数及びモータ効率の関係を示
すグラフである。

【図５】ブラシと整流子セグメントとの配列関係を示す
説明図である。

【図６】第２の実施の形態に係り、各セグメントと各コ
イルとの結線及び各ブラシの配置の関係を示す平面図で
ある。

【図７】第３の実施の形態に係り、各セグメントと各コ
イルとの結線及び各ブラシの配置の関係を示す平面図で
ある。

【図８】第４の実施の形態に係り、各セグメントと各コ
イルとの結線及び各ブラシの配置の関係を示す平面図で
ある。

【図９】図８と対比される従来の関係を示す平面図であ
る。

【図１０】第５の実施の形態に係り、各セグメントと各
コイルとの結線及び各ブラシの配置の関係を示す平面図
である。

【図１１】第６の実施の形態に係り、各セグメントと各
コイルとの結線及び各ブラシの配置の関係を示す平面図
である。

【図１２】従来例のブラシ付ＤＣモータの構造を分解し
て示す斜視図である。

【符号の説明】

１ ステータ ２ ロータ ４ 界磁石 ５ 極対 ６ シャフト ７ 整流子 ７ａ セグメント ７ｂ スリット ８ 電機子 ９ スロット １０ コイル １１ 巻線 １２ ブラシ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H603 AA09 BB01 BB04 BB12 CA02 CA05 CB01 CB03 CB04 CD04 CD21 CE02 5H613 AA03 BB04 BB15 GA11 5H623 AA10 BB07 HH01 JJ03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータ及びロータと、 前記ステータは、Ｎ極とＳ極を一極対とする複数の極対
   よりなる界磁石を含むことと、 前記ロータは、シャフトと、そのシャフト上に設けられ
   た整流子及び電機子とを含むことと、 前記整流子は、複数のセグメントにより構成されること
   と、 前記電機子は、複数のスロットを含み、隣り合うスロッ
   ト間にコイルを巻いて集中巻型の巻線が設けられること
   と、 前記整流子に接触可能に設けられ、前記シャフトを中心
   に対向配置された一対をなす複数組の通電用のブラシと
   を備えた集中巻型ブラシ付ＤＣモータにおいて、 前記界磁石の極対の数（Ｎｐ）と、前記スロットの数
   （Ｎｓ）とを、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋１］又は［Ｎｓ＝２
   ×Ｎｐ＋２］（但し、Ｎｐは自然数）の関係を満たす値
   に設定したことを特徴とする集中巻型ブラシ付ＤＣモー
   タ。
2. 【請求項２】 前記界磁石の極対の数（Ｎｐ）と、前記
   スロットの数（Ｎｓ）とを、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］
   （但し、Ｎｐは自然数）の関係を満たす値に設定し、前
   記極対の数（Ｎｐ）を偶数の値に設定し、前記整流子の
   うち相対向するセグメントを互いに導通させると共に、
   前記複数組のブラシのうち相対向するブラシの一方を省
   略したことを特徴とする請求項１に記載に集中巻型ブラ
   シ付ＤＣモータ。
3. 【請求項３】 前記界磁石の極対の数（Ｎｐ）と、前記
   スロットの数（Ｎｓ）とを、［Ｎｓ＝２×Ｎｐ＋２］
   （但し、Ｎｐは自然数）の関係を満たす値に設定し、前
   記極対の数（Ｎｐ）を奇数の値に設定し、前記整流子の
   うち相対向するセグメントを互いに導通させ、前記複数
   組のブラシのうち相対向するブラシの一方を省略すると
   共に、複数のコイルのうち相対向するコイルを互いに逆
   向きに巻いたことを特徴とする請求項１に記載に集中巻
   型ブラシ付ＤＣモータ。