JP2004032969A - 無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロータ1の回転軸4の周囲に互いに絶縁したスリップリング8を複数個固定し、ロータ1の各コイル3の端部3a、3bを各々スリップリング8に接続し、回転軸4の周囲に各スリップリング8に常時接触するブラシ16を固定配置する。スリップリング8及びブラシ16は容器22内に収容され、絶縁性の潤滑オイルにより潤滑される。スイッチング素子を含むスイッチング回路により各コイル3への通電のタイミングを制御する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は整流子型直流モータ又はユニバーサルモータの整流子の代わりに、ロータのコイルの端部に接続するスリップリングを用いた、無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータに関する。
【0002】
【従来の技術】
整流子型直流モータは、小型・軽量でもパワーが大きく、供給電力に対する運動エネルギー変換効率が各種モータの中で最も高いレベルにあるという利点を有している。
従って、バッテリーに蓄積された限られた電力を効率よく使う必要がある電気自動車、電動車椅子、電動自転車等の用途に、潜在的な可能性をもつモータということができ、また、回転速度が小さいほど発生トルクが大きいという特性も電気自動車等の用途に適している。
【0003】
しかし、整流子型直流モータは、ロータとともに回転する整流子とブラシの間のすり接触により電力を供給する方式であるため、次のような問題がある。
▲1▼ブラシと整流子の摩耗が早く、火花や熱の発生、それに基づく材料表面の酸化がこの摩耗を促進する。摩耗した場合、ブラシや整流子を取り替えればよいのだが、それが不都合なことが多く、モータの寿命が短い。
▲2▼ブラシには一定の圧力がかけられ、整流子の表面に接触するようになっているが、何らかの原因により接触不良が生じ、モータが回らなくなることがある。万一、自動車等において走行中にモータが停止すると危険である。
▲3▼火花が電気的ノイズの原因となる。自動車の制御系に影響を与える危険がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
整流子型直流モータのこれらの問題点を解決する手段として、ブラシと整流子からなる機械的スイッチング機構を等価な電子回路のスイッチング機構に置き換えるという考え方が存在する。
1つはいわゆるブラシレスモータであり、コイルがステータ側に固定され、永久磁石がロータとして回転する構造である。しかし、このブラシレスモータは慣性が大きく応答性が劣り、頻繁に起動、停止、加減速を繰り返す自動車用モータとしては適当でなく、その場合のエネルギー変換効率も劣る。
もう1つはスリップリングとそれに常時接触するブラシを用い、ローターのコイルを引き出して前記スリップリング(コイル1つ当り2個のスリップリング)に接続し、電子回路のスイッチング機構により前記コイルへの通電を制御するというものである。
【0005】
後者の場合、スリップリングとブラシが常時接触しているため、電気的ノイズの主原因である火花の発生がなく、それに伴って熱の発生が減る利点がある。従って、スリップリングとブラシの摩耗が比較的抑えられる。また、各スリップリングに専用のブラシが接触するため接触不良を減らすこともできる。しかし、機械的な接触がある点は従来の整流子型直流モータと同じであり、すり接触による摩耗は存在する。また、すり接触による熱の発生があり、それに伴う材料表面の酸化もあり、摩耗に関して大きい改善は見込めず、モータの寿命の改善のレベルは大きくない。
【0006】
本発明は、スリップリングとブラシを用いて直流モータのロータのコイルに電力を供給する場合において、スリップリングとブラシの摩耗を減らし、モータの寿命を改善することを主たる目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロータの回転軸の周囲に互いに絶縁したスリップリングを複数個固定し、ロータの各コイルの端部を各々前記スリップリングに接続し、前記回転軸の周囲に前記各スリップリングに常時接触するブラシを固定配置し、前記ブラシ及びスリップリングを通しロータの各コイルに通電するようにした無整流子型直流モータにおいて、前記スリップリング及びブラシがこれらを囲繞する容器内に収容され、該容器内において絶縁性の潤滑オイルにより潤滑されていることを特徴とする。
【0008】
本発明によれば、スリップリング表面とブラシの間に潤滑オイルの膜が形成され、熱の発生も減り、ブラシの摩耗が劇的に減少する。なお、潤滑オイルは絶縁性であるが、ブラシの接触圧を適当に設定すれば、スリップリングとブラシの接触面の一部において潤滑オイルの膜が破れた箇所ができ、そこを通して電流が継続的に流れる。
潤滑の具体的な方式は任意であり、代表例として、浸漬方式(容器内に溜まった潤滑オイルにスリップリングの一部(場合によってはブラシの一部も)が浸漬された状態)、噴霧方式(容器内に潤滑オイルを噴霧し、その微粒子がスリップリング表面に付着)等を挙げることができる。さらに容器内に不活性ガスを充填してもよい。容器内の潤滑オイルはポンプで吸い上げ、オイルフィルターやオイルクーラーを循環させることが望ましい。
【0009】
また、前記容器内に絶縁性の潤滑オイルの代わりに不活性ガスを充填してもよい。この場合、潤滑による摩耗低減の作用は得られないが、すり接触により熱が発生してもスリップリングとブラシの酸化が防止でき、それによる摩耗の改善を見込むことができる。
上記無整流子型直流モータにおいて、整流子及びブラシの作用を電子回路によるスイッチング機構により代替する必要があり、ローターの位置を検出する検出手段と、該検出手段からの信号に基づき前記コイルへの通電を制御するスイッチング回路を備えることになる。
なお、本発明は、ユニバーサルモータ(無整流子型ユニバーサルモータ)にも同様に適用することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、図1〜図3を参照して、本発明に係る無整流子型直流モータについてより具体的に説明する。
図1において、ロータ1はコア2とそのスロットに巻かれたコイル3(この例ではコイル数は6)からなり、永久磁石からなるステータは図示が省略されている。ロータ1の回転軸4が軸受5、6により支持され、その回転軸4の周囲に絶縁体7を介し、12個のスリップリング8が互いに絶縁された状態で固定されている。
【0011】
一方、6個のコイル3からはそれぞれ2つの導線3a、3bが外に延び、回転軸4に固定された回転支持体11に絶縁体12を介して支持され、さらに外に延びて先端が前記各スリップリング8に固定されている。前記回転支持体11は軸受13に回転自在に支持されている。
なお、図2に示すように、各スリップリング8には各コイル3の導線3a、3bを通す穴14が形成され、そこに端部が固定されなかった導線3a、3bは絶縁体15を介して当該スリップリング8から絶縁されるとともに、そこを通過してその先のスリップリング8に固定される。これが繰り返されて、6個のコイル3の導線3a、3bの端部は、それぞれ絶縁された12個のスリップリング8に接続される。
【0012】
各スリップリング8に接触してリング状のブラシ16が配置される。このブラシ16は絶縁性の支持部材17の内側に固定され、支持部材17はさらに後述する容器22の内側に固定されている。また、各ブラシ16の近傍に板バネ18が前記支持部材17に固定されて配置され、この板バネ18の付勢力がブラシ16を各スリップリング8に押し付け、両者が所定の接触圧ですり接触するようになっている。
また、各スリップリング8には、外部から電力を供給するための導線19を接続する取付部21を設けている。
【0013】
さらに、スリップリング8及びブラシ16を囲繞する容器22が設けられ、これは、オイルシール23、24を介して回転支持体11及び回転軸4の周囲に配置されている。容器22内には図示しない噴霧装置により絶縁性の潤滑オイルが霧状に噴霧され、スリップリング8及びブラシ16の表面を濡らし、容器22の底に溜った潤滑オイルは図示しないオイルポンプにより吸い上げられ、容器22外に設置されたオイルフィルターやオイルクーラーを循環し、再び容器22内に噴霧される。
【0014】
図3は、この直流モータの駆動・制御系を模式的に示すもので、ロータリエンコーダ25(回転軸4に固定され共に回転するスリット円板26、発光ダイオード27及びフォトトランジスタ28からなる)からのロータ1の位置信号が、スイッチング回路を有する駆動・制御装置29に送られる。駆動・制御装置29のスイッチング回路はスイッチング素子を含み、従来の整流子とブラシによる機械的スイッチングの代替を行う電子回路で、それ自体は公知である。駆動・制御装置29はロータリーエンコーダ25からの位置信号をもとに、前記スイッチング回路により、所定のタイミングで各コイル8に流れる電流のオン−オフ及び転流を遂行する。なお、図3において、30は直流電源である。
【0015】
なお、整流子型直流モータは、整流子とブラシによる機械的スイッチング機構であるため、各コイルに流れる電流のオン−オフ及び転流のタイミングは常に初期設定の通りに遂行されるが、上記無整流子型直流モータでは、ロータの複数個のコイルをスイッチング回路により個別に制御するので、そのタイミングを任意に選択、設定することができる。また、コイルに負荷する電圧等についても各コイル毎に制御することができる。
【0016】
【発明の効果】
本発明によれば、スリップリングとブラシを用いて直流モータのロータのコイルに電力を供給する無整流子型直流モータにおいて、スリップリングとブラシの摩耗を減らし、モータの寿命を長期化することができ、運動エネルギー変換効率が高い直流モータの用途を、電気自動車、電動車椅子、電動自転車等にも広げることができる。
また、無整流子型直流モータは、電子回路によるスイッチング機構で制御するため、各コイル毎に電流のオン−オフ及び転流のタイミング、電圧等を任意に制御でき、また、火花の発生がなく電気的ノイズの発生がないことなども、上記用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る無整流子型直流モータの模式的な平面断面図である。
【図2】そのI−I矢視断面図(要部のみ)である。
【図3】その駆動・制御系の模式図である。
【符号の説明】
1 ロータ
4 回転軸
8 スリップリング
16 ブラシ
18 板バネ
22 容器
Claims (3)
- ロータの回転軸の周囲に互いに絶縁したスリップリングを複数個固定し、ロータの各コイルの端部を各々前記スリップリングに接続し、前記回転軸の周囲に前記各スリップリングに常時接触するブラシを固定配置し、前記ブラシ及びスリップリングを通しロータの各コイルに通電するようにした無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータであり、前記スリップリング及びブラシがこれらを囲繞する容器内に収容され、該容器内において絶縁性の潤滑オイルにより潤滑されていることを特徴とする無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ。
- 前記容器内に絶縁性の潤滑オイルの代わりに不活性ガスが充填されていることを特徴とする請求項1に記載された無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ。
- ローターの位置を検出する検出手段と、該検出手段からの信号に基づき前記コイルへの通電を制御するスイッチング回路を備えることを特徴とする請求項1又は2に記載された無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ。
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