JP2004140990A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単、低コストかつ小型化が容易な構造を有し、磁束密度を高くすることができ、効率も向上し得ること。
【解決手段】界磁巻線が巻回されていない磁性体から成る固定子１と、固定子１の内側に配設され回転子巻線５が巻かれた回転子４と、整流子７と、ブラシ８とを有し、ブラシ８および整流子７を介して回転子巻線５に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、固定子１の内周面に複数の凸部２１を間欠的に形成し、凸部２１の中心軸に対して電磁石の磁極軸が所定角度ずれるようにブラシ８を回動して保持するブラシ回動保持部９を備え、電磁石と凸部２１との吸引力によって回転子４を回転させる。
【選択図】　　　　図１

Description

　この発明は、界磁巻線を設けることなく回転子に生ずる電磁石による吸引力を少なくとも利用して回転力を得るようにした電動機に関するものである。

　一般的に、ユニバーサルモータ等の交流整流子電動機においては、界磁極である固定子側と、電機子（回転子）側の双方にコイルが巻装されている。

　従来の電動機においては、回転子に回転子巻線が巻回され、かつ固定子に界磁巻線が巻回されているので、コイル巻装のための工程が製造上必要であり、製作時間が増大し、装置が複雑化してコスト高となる。また、コイル巻装のための比較的大きな隙間が回転子と固定子との間に必要になり、磁束密度を高くすることが困難となる。磁束密度の低下は、電動機としての発生トルクの減少をもたらす。さらに、この種の電動機において、高トルクを得るためには、回転子電流をトルクに見合って増大させる必要があるので、効率が悪化する。

　また、界磁を回転させて使用する場合には、界磁巻線をスリップリング等によりつなぐ必要が生ずるので、構造的にも複雑なものとなってしまう。

　このように、従来の交流整流子電動機にあっては、固定子および回転子の双方にコイルが巻装されているので、構造の複雑化、装置のコスト高、発生トルクの減少、効率の悪化などの問題を有している。

　この発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、簡単、低コストかつ小型化が容易な構造を可能とするとともに、磁束密度を高くすることができ、効率も向上し得る電動機を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、この発明にかかる電動機は、界磁巻線が巻回されていない磁性体から成る固定子と、該固定子の内側に配設され回転子巻線が巻かれた回転子と、整流子と、ブラシとを有し、ブラシおよび整流子を介して回転子巻線に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、回転子と対向する固定子の内周面に複数の凸部を間欠的に形成し、前記凸部の中心軸に対して前記電磁石の磁極軸が所定角度ずれるようにブラシを回動して保持するブラシ回動保持部を備え、前記電磁石と凸部との吸引力によって回転子を回転させることを特徴としている。

　この発明の電動機によれば、固定子側を固定し、固定子側に形成した凸部の中心軸に対して回転子側に形成される電磁石の磁極軸が所定角度ずれるようにブラシを回動して保持し、回転子側に形成した電磁石と、固定子側に形成した凸部の吸引力を利用して、回転子を回転させるようにしている。

　次の発明にかかる電動機は、界磁巻線が巻回されていない磁性体から成る回転可能な外側回転体と、該外側回転体の内側に配設され直流または交流電源が接続された電機子巻線が巻かれた電機子と、整流子と、ブラシとを有し、ブラシおよび整流子を介して電機子巻線に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、電機子と対向する外側回転体の内周面に複数の凸部を間欠的に形成するとともに、前記電機子を固定しかつ前記ブラシを整流子の周方向に回転自在に構成し、前記ブラシの回転によって形成される電磁石と前記凸部との吸引力によって外側回転体を回転させることを特徴としている。

　この発明の電動機によれば、電機子側を固定し、ブラシを回転させる。ブラシの回転によって電機子側に形成される電磁石を回転させ、この電磁石と外側回転体側に形成した凸部との吸引力を利用して、外側回転体を電磁石に連れ回らせる。

　次の発明にかかる電動機は、複数の磁極が周方向に形成された永久磁石から成る回転可能な外側回転体と、外側回転体の内側に配設され直流電源が接続された電機子巻線が巻かれた電機子と、整流子と、ブラシとを有し、ブラシおよび整流子を介して電機子巻線に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、前記電機子を固定しかつ前記ブラシを整流子の周方向に回転自在に構成し、前記ブラシの回転によって形成される電磁石と永久磁石との吸引反発力によって外側回転体を回転させることを特徴としている。

　この発明の電動機によれば、電機子側を固定し、ブラシを回転させる。ブラシの回転によって電機子側に形成される電磁石を回転させ、この電磁石と外側回転体（永久磁石）との吸引反発力を利用して、外側回転体を電磁石に連れ回らせる。

　次の発明にかかる電動機は、複数の磁極が直線状に形成された永久磁石または複数の凸部が直線状に間欠的に形成されかつ界磁巻線が巻回されていない磁性体より成る移動可能なスライダと、前記スライダに対向配置され、磁極が直線状に並ぶ電磁石を形成するよう電機子巻線が巻かれた電機子と、整流子と、ブラシとを有し、前記電機子を固定し、かつ前記ブラシを前記整流子に対し移動自在に構成し、前記ブラシの移動によって形成される電磁石と前記凸部との吸引力または吸引反発力によってスライダを移動させることを特徴としている。

　この発明の電動機によれば、電機子側を固定し、ブラシを移動させる。ブラシの移動によって電機子側に形成される電磁石を移動させ、この電磁石と永久磁石（スライダ）との吸引反発力または電磁石と凸部（スライダ）との吸引力を利用して、スライダを電磁石の移動に連れて移動させる。

　この発明によれば、固定子側の界磁巻線を無くして固定子を固定し、固定子側に形成した凸部の中心軸に対して回転子側に形成される電磁石の磁極軸が所定角度ずれるようにブラシを回動して保持し、回転子側に形成した電磁石と、固定子側に形成した凸部の吸引力を利用して、回転子を回転させるようにしているので、固定子に界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。また固定子に対して回転子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、固定子の巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。

　次の発明によれば、電機子側を固定し、磁性体より成る着磁されていない外側回転体を回転可能とし、外側回転体の内周面に複数の突起を間欠的に形成して、ブラシを回転させることによって電機子側に形成される電磁石を回転させ、この電磁石と外側回転体側に形成した凸部との吸引力を利用して、外側回転体を電磁石に連れ回らせるようにしたので、外側回転体に界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。また外側回転体に対して電機子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、外側回転体の巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。さらに、界磁コイルが存在しないので、界磁コイルをスリップリングなどで繋ぐ必要もなくなり、その部分の構造が簡単化される。

　次の発明によれば、電機子側を固定し、永久磁石より成る外側回転体を回転可能とし、ブラシを回転させることによって電機子側に形成される電磁石を回転させ、この電磁石と外側回転体（永久磁石）との吸引反発力を利用して、外側回転体を電磁石に連れ回らせるようにしたので、外側回転体に界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。また外側回転体に対して電機子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、外側回転体の巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。さらに、界磁コイルが存在しないので、界磁コイルをスリップリングなどで繋ぐ必要もなくなり、その部分の構造が簡単化される。

　次の発明によれば、ブラシの移動によって電機子側に形成される電磁石を移動させ、この電磁石と永久磁石（スライダ）との吸引反発力または電磁石と凸部（スライダ）との吸引力を利用して、スライダを電磁石の移動に連れて移動させるようなリニアモータを構成したので、スライダに界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。またスライダに対して電機子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、スライダの巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。

　以下に、本発明にかかる電磁石の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、この発明の実施形態１にかかる吸引電動機の概念的な分解構成図を示すものである。また、図２は吸引電動機の断面的な構成を示すものである。

　図１および図２において、固定子１は、円筒形状を呈している磁性体である固定子鉄心２から成る。固定子鉄心２には、界磁巻線が巻かれてはいない。固定子鉄心２には、その内周面に周方向に沿って複数の凸部（突起）２１が間欠的に形成されている。すなわち、固定子鉄心２の内周面には、複数の突起２１および溝が交互に略均等に形成されている。突起２１は、固定子鉄心２の軸方向に延在している。

　固定子１の内側には、回転子４が回転自在に配置されている。回転子４は、回転子巻線５が巻かれた磁性体である回転子鉄心６を有し、回転子４には回転子巻線５に結線される整流子７および一対のブラシ８が備えられている。整流子７は複数の整流子片７１を有する。回転子巻線５を形成する各単位巻線は、整流子７を構成する整流子片７１に接続されている。この場合、回転子巻線５は整流子７および一対のブラシ８を介して商用交流電源に接続されている。

　かかる図１に示す構造にあって、ブラシ８は整流子７に接触しつつ整流子７の周方向に回動（移動）可能な構造となっている。すなわち、一対のブラシ８は、ブラシ相互の位置関係を保ったままで、整流子７の回転または停止に関係なく、整流子７の周方向に回動できるように構成されている。

　ブラシ回動保持部９は、図２に示すように、固定子鉄心２に形成された突起２１の中心軸Ｔ（以下、突起軸という）に対し、一対のブラシ８を結んだブラシ軸Ｂが所定角度θだけずれるように、ブラシ８を所定角度θだけ回動させた後、この所定角度位置にブラシ８を保持する。この実施の形態１の吸引電動機においては、ブラシ回動保持部９によって、ブラシ軸Ｂを突起軸Ｔに対し所定角度θだけずらせることによって、回転子４を回転させる。

　ブラシ軸Ｂを突起軸Ｔに対してずらす角度θには、限度がある。すなわち、図２において、周方向に隣合う突起２１の突起軸間の角度を１８０度とした場合、ある突起２１の突起軸から９０度未満の範囲内で、ブラシ軸Ｂを突起軸Ｔに対してずらすようにする。

　回転子巻線５に流れる電流によって形成される電磁石の磁極軸はブラシ軸Ｂと一致するので、ブラシ軸Ｂを突起軸Ｔに対して所定角度θ(例えば２０度〜３０度)だけずらすことは、電磁石の磁極軸を突起軸Ｔに対して所定角度θだけずらすことと等価である。

　つぎに、図３にブラシ軸Ｂ(電磁石の磁極軸)と突起軸Ｔとの位置関係および磁気回路の磁束透過状態を模式的に示す。図３においては、コ字状に示される固定子１の端部を結ぶ軸を突起軸Ｔとし、回転子巻線５が施された電磁石の軸をブラシ軸Ｂとする。

　図３−１は、突起軸Ｔとブラシ軸Ｂとが一致する状態を示している。この状態では、回転子巻線５は一定のリアクタンスを有し、電磁石を作る回転子巻線電流（励磁電流）が最小である状態、すなわち一定の磁束が発生する安定な状態である。

　図３−２は、突起軸Ｔに対してブラシ軸Ｂを反時計方向に例えば３０度ずらした状態を示している。この状態では、磁気回路が開くにつれてリアクタンスが減少し、励磁電流が増大して磁束が増え、時計方向の吸引力が発生する。

　図３−３は、突起軸Ｔに対してブラシ軸Ｂを時計方向に例えば３０度ずらした状態を示している。この状態では、磁気回路が開くにつれてリアクタンスが減少し、励磁電流が増大して磁束が増え、反時計方向の吸引力が発生する。

　このように、ブラシ８の位置を、図３−２，図３−３に示すように、例えば３０度反時計方向（プラス方向）あるいは時計方向（マイナス方向）にずらすことで、電磁石と突起２１との間でブラシ軸Ｂと突起軸Ｔとが一致するように吸引力が生じ、この吸引力によって電磁石である回転子４及び整流子７が回動する。回転子４及び整流子７が回動しても、ブラシ８の位置は固定のままであり、換言すれば、突起軸Ｔに対しずれたブラシ位置は変わらず存在するので、引き続き吸引力が生じ、回転子４及び整流子７が引き続き回動する。このように、突起軸Ｔに対しブラシ軸Ｂをずらせることによって、ずらした方向と反対の方向に回転子４に吸引力が働き、回転子４はその方向に連続して回転することになる。なお、回転子４を停止させる場合は、突起軸Ｔとブラシ軸Ｂとが一致するようにブラシ位置を変更すればよい。このように、ブラシ位置を調整することにより、吸引力による回転子４の回転および停止動作を行うことができる。

　つぎに、図４を参照して、実施の形態１の吸引電動機における回転子４の回転動作についてより詳細に説明する。図４−１、図４−２は、回転子巻線電流の正の半波での動作を示し、図４−３、図４−４は回転子巻線電流の負の半波での動作を示している。

　図４−１に示すように、対象とする突起２１（図４中ハッチングで特定した）の突起軸Ｔに対して、ブラシ８のブラシ軸Ｂを所定角度θ（＜９０度、例えば２０〜３０度）時計方向にずらした(回動させた)場合、回転子巻線電流によってブラシ軸Ｂに沿って電磁石が生じる。そして、この電磁石と対象とする突起２１との間で吸引力が発生することになり、回転子４及び整流子７が対象とする突起２１に向かって回動する。

　この回動によりブラシ８は隣の整流子片７１と接触することになるが、図４−２に示すように、対象となる突起２１に対するブラシ８自体の位置は、回動前と同じく、ずれたままであるので、回転子巻線電流により依然として同じブラシ軸Ｂの位置に電磁石が生じ、この電磁石が対象となる突起２１に吸引され、引き続き回転子４および整流子７は対象となる突起２１に向かって回動することとなる。

　回転子巻線電流の負の半波のときには、正の半波の場合と異なり、図４−３、図４−４に示すように、回転子巻線５に流れる電流の方向が逆になるので、ブラシ軸Ｂに発生する電磁石の極性も逆になる。しかしながら、対象となる突起２１は、着磁されているわけではないので、対象となる突起２１には電磁石の磁気極性と逆の磁気極性が発生する。このため、電磁石の極性が変わっても電磁石と対象となる突起２１とは引き続き吸引力が発生する。

　すなわち、図４−３に示すように、時計方向にずらしたブラシ軸Ｂに沿って電磁石が生じ、この電磁石が対象となる突起２１に吸引されることになり、回転子４及び整流子７が突起２１に向かって回動する。この回動によりブラシ８は隣の整流子片７１と接触することになるが、前述したように、ブラシ８自体の位置は変わらないので、回転子巻線電流により依然として同じブラシ軸Ｂの位置に電磁石が生じ、この電磁石が対象となる突起２１に吸引され、引き続き回転子４および整流子７が突起２１に向かって回動する。こうして、回転子４は、電磁石と対象となる突起２１の恒常的な吸引力により、連続して反時計方向に回転する。

　なお、前述したように、突起軸Ｔに対するブラシ軸Ｂの位置ずれに関しては、対象となる突起に着目した場合、前述したようにこの対象となる突起２１の突起軸Ｔに対して隣接する突起の突起軸との中間位置(９０度位置)がブラシ軸Ｂのずれの限度である。この場合、ブラシ軸Ｂが対象となる突起の突起軸Ｔに近いほど吸引力は少なく、上記中間位置に近いほど吸引力が増大する。これは、図３で説明したように、回転子巻線電流により発生する磁束が、ブラシ軸Ｂと突起軸Ｔとが近ければ磁束が少なく、ブラシ軸Ｂと突起軸Ｔとが遠ければ磁束が増え磁束の収縮する力が増えるからである。

　なお、ブラシ軸Ｂを上記中間位置(９０度位置)より１８０度側にずらした場合には、電磁石は隣接する突起に吸引され、回転子４は逆方向に回転することになる。すなわち、ブラシ軸Ｂのずらし位置を、突起軸Ｔとブラシ軸Ｂとが一致する０度から９０度までの範囲に規制した場合は、同一方向に連続して回転子を回転させることができる。

　このように実施の形態１によれば、固定子鉄心２の内周面に複数の突起２１を間欠的に形成して、ブラシ８を突起２１の突起軸に対してずらせることによって回転子４を回転させるようにしたので、固定子に界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。また固定子に対して回転子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、固定子の巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。

　なお、上記図１〜図４に示した実施の形態１においては、回転子巻線に交流電源を接続することとしたが、回転子巻線に直流電源(バッテリ)を接続するようにしてもよい。直流電源を利用するときには、交流電源の場合のように回転子鉄心６をヒステリシスや渦による損失を低減するため積層鋼鈑にする必要はなく、塊状鉄心を利用することができる。

実施の形態２．
　つぎに、図５を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２においては、整流子７および回転子（電機子）４を固定とし、着磁されていない磁性体より成る外側鉄心（請求の範囲の外側回転体に対応）４０を回転させるようにしている。一対のブラシ８は、固定されている整流子７に対し接触しつつ回転自在な構成となっている。外側鉄心４０は、実施の形態１の固定子鉄心２と同様、界磁巻線は巻かれてはおらず、その内周面には周方向に沿って複数の凸部（突起）２１が間欠的に形成されている。回転子４には、回転子巻線（図示せず）が巻回されており、ブラシ８および整流子７を介して回転子巻線に交流電源が印加されている。

　この図５に示す実施の形態２の吸引電動機においては、回転子４に対して外側鉄心４０が回転可能なアウターロータ型の構造をとっており、ブラシ８は、実施の形態１のように、回動した後所定位置に保持されるのではなく、回転する。すなわち、ブラシ８の回転によって電磁石を回転させ、この電磁石と外側鉄心４０側に形成した凸部との吸引力を利用して、外側鉄心４０を電磁石に連れ回らせる。

　図５−１は、回転子巻線電流の正の半波によりブラシ軸Ｂに電磁石が形成されている状態を示している。ブラシ８を反時計方向Ｋに回転させると電磁石も反時計方向Ｋに回転することになる。そして、この電磁石に吸引対象となる突起２１（図５中ハッチングで特定した）が吸引されることになるので、電磁石の回転に伴い電磁石に吸引されるように突起２１も回転し、これにより外側鉄心４０が回転する。この場合、外側鉄心４０に加わる負荷の大きさに応じた量だけブラシ軸Ｂに対して突起軸Ｔがずれることになるが、このずれた状態のままでブラシ８すなわち電磁石の回転に伴い外側鉄心４０が回転する。

　図５−２は、回転子巻線電流の負の半波にて形成された電磁石と突起２１とが吸引される様子を示している。この場合も、ブラシ８を反時計方向Ｋに回転させることにより、ブラシ軸Ｂに相応する電磁石が回転し、この電磁石に突起２１が吸引されることによって外側鉄心４０が回転する。このように、ブラシ８を回転させることによって、外側鉄心４０を回転させることができる。この場合、ブラシ８の回転速度に応じて、外側鉄心４０の回転速度が変化する。

　このように実施の形態２によれば、回転子４および整流子７を固定し、外側鉄心４０を回転可能としたアウターロータ型吸引電動機において、外側鉄心４０の内周面に複数の突起２１を間欠的に形成して、ブラシ８を回転させることによって外側鉄心４０を回転させるようにしたので、外側鉄心４０に界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。また外側鉄心４０に対して回転子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、外側鉄心４０の巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。さらに、実施の形態２の場合、界磁側が回転されるが、界磁コイルが存在しないので、界磁コイルをスリップリングなどで繋ぐ必要もなくなり、その部分の構造が簡単化される。

　なお、図５に示した実施の形態２においては、回転子巻線に交流電源を接続することとしたが、回転子巻線に直流電源(バッテリ)を接続するようにしてもよい。直流電源を利用するときには、交流電源の場合のように回転子鉄心６をヒステリシスや渦による損失を低減するため積層鋼鈑にする必要はなく、塊状鉄心を利用することができる。

実施の形態３．
　つぎに、図６を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３においては、外側回転体５０を磁極が予め着磁された永久磁石によって構成している。整流子７および回転子（電機子）４は先の実施の形態２と同様固定である。一対のブラシ８は、固定されている整流子７に対し接触しつつ回転自在な構成となっている。回転子４には、回転子巻線（図示せず）が巻回されており、ブラシ８および整流子７を介して回転子巻線に直流電源５１が印加されている。直流電源５１には、回転子巻線に供給される電流を可変制御して発生トルクを制御するための可変抵抗器（請求の範囲の電流可変素子に対応）５２が接続されている。この可変抵抗器５２は外部からの操作によって抵抗値を自由に変化させて、回転子巻線に供給される電流を可変制御することができる。

　この実施の形態３の電動機においては、ブラシ８の回転によって電機子４に形成される電磁石を回転させ、この電磁石と外側回転体（永久磁石）５０に形成された磁極との吸引反発力を利用して、外側回転体５０を電磁石に連れ回らせる。例えば、ブラシ８を反時計方向Ｋに回転させると、電機子４に形成される電磁石も反時計方向Ｋに回転することになる。この電磁石に吸引対象となる異極性の磁極が吸引されかつ同極性の磁極が電磁石に対し反発されることになるので、電磁石の回転に伴い外側回転体５０も反時計方向Ｋに回転する。可変抵抗器５２の抵抗値を可変制御することで、吸引反発力を調整し、外側回転体５０の回転トルクを制御することができる。

　このように実施の形態３によれば、電機子４側を固定し、永久磁石より成る外側回転体５０を回転可能とし、ブラシ８を回転させることによって電機子４側に形成される電磁石を回転させ、この電磁石と外側回転体（永久磁石）５０との吸引反発力を利用して、外側回転体を電磁石に連れ回らせるようにしたので、外側回転体に界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。また外側回転体に対して電機子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、外側回転体の巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。さらに、界磁コイルが存在しないので、界磁コイルをスリップリングなどで繋ぐ必要もなくなり、その部分の構造が簡単化される。

実施の形態４．
　つぎに、図７〜図１０を用いてこの発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４においては、実施の形態２に示したアウターロータ型の吸引電動機を電動補助自転車に適用している。図７は、電動補助自転車のスプロケット近傍の構成を示すもので、図７−１は正面図、図７−２は断面図である。

　図７において、車体に固定された固定軸１６には、クランク軸１１が回転自在に支承されており、クランク軸１１の左右端にはクランク１２がそれぞれ取り付けられ、各クランク１２の端部にはペダル１３が軸支されている。クランク軸１１には、複数のスポークを有する自動車のハンドル形状のブラシホルダ（請求の範囲のブラシ保持部に対応）１４が固定されており、ブラシホルダ１４はクランク軸１１の回転によって回転する。ブラシホルダ１４の内側には、一対のブラシ８が固定され、ブラシホルダ１４の外側には、一対の棒体１５が固定されている。この場合、ブラシ軸Ｂ上に棒体１５が配置されているとする。したがって、クランク軸１１の回転によって、ブラシホルダ１４、ひいてはブラシ８および棒体１５が回転する。

　一方、回転子４および整流子７は、クランク軸１１を挿通支持する固定軸１６に固定されている。ブラシ８は、ブラシホルダ１４の回転によって整流子７に接触しつつ回転する。回転子４には、回転子巻線（図示せず）が巻回されており、ブラシ８および整流子７を介して回転子巻線に交流電源が印加されている。

　固定子としての外側鉄心（外側回転体）は、チェーン１７が巻装される駆動スプロケット１８を構成している。すなわち、駆動スプロケット１８の外周側には、チェーン１７と噛み合う複数の歯が形成され、駆動スプロケット１８の内周側には、前述の複数の凸部（突起）２１が周方向に沿って間欠的に形成されている。

　駆動スプロケット１８の側面には、ブラシホルダ１４から突出された棒体１５，１５を当接（係合）させるための各一対のストッパ（請求の範囲の突起に対応）１９ａ，１９ｂが２箇所に突出形成されている。これら棒体１５およびストッパ１９ａによって、駆動スプロケット１８の回転がブラシ８の回転に対し所定角度だけ遅れたときにクランク軸１１の回転を機械的に駆動スプロケット１８に伝達する人力付加機構を構成している。

　駆動スプロケット１８の回転方向Ｋの進行側に配置される一方のストッパ１９ａの取り付け位置は、ストッパ１９ａに棒体１５が当接した際、ブラシ軸Ｂが突起軸間の中間位置より若干回転方向Ｋの逆方向側へ位置して、電磁石が対象となる突起２１を吸引することができる位置とする。また、他方のストッパ１９ｂの取り付け位置は、ストッパ１９ｂに棒体１５が当接した際、ブラシ軸Ｂが対象となる突起２１の突起軸Ｔより若干、回転方向Ｋ側へ位置して、電磁石が吸引対象となる突起２１を吸引することができる位置とする。

　このような構成を有する電動補助自転車においては、ブラシ８を介して交流電源を通電した後、ペダル１３を人力で踏むことでブラシホルダ１４ひいてはブラシ８を回転させることにより、図５にも示したように、回転子４に形成される電磁石を回転させる。そして、この電磁石の回転に伴って駆動スプロケット１８の突起２１が吸引され、駆動スプロケット１８が回転駆動される。

　平坦路では、通常、ブラシホルダ１４に固定された棒体１５が、ストッパ１９ａに当接されることはなく、ブラシ８を回転させ得る極めて小さな力で、駆動スプロケット１８を回転させることができる。

　上り坂道などで、駆動スプロケット１８に対する負荷が増大した場合は、ブラシ８の回転に対して駆動スプロケット１８の回転が追従できなくなるので、ブラシホルダ１４に固定された棒体１５がストッパ１９ａに当接（衝突）する。したがって、人力がペダル１３、クランク軸１１，ブラシホルダ１４、棒体１５、ストッパ１９ａを介して駆動スプロケット１８に直接伝達されることになる。このように、上り坂道などの過負荷状態においては、吸引電動機の吸引力および人力（棒体１５がストッパ１９ａを押す力）によって駆動スプロケット１８が回転されることになる。

　なお、棒体１５は剛体としてもよいが、棒体１５を弾性力のある板ばねによって構成して、棒体１５がストッパ１９ａに衝突する際のショックを軽減させるようにしてもよい。　　　

　また、図７においては、ストッパ１９ａをブラシホルダ１４から突出された棒体１５に係合させるようにしたが、図８に示すように、ストッパ１９ａをクランク１２に係合可能に配置し、ペダル１３の踏力を、クランク１２およびストッパ１９ａを介して駆動スプロケット１８に伝達するように構成してもよい。この場合は、過負荷状態においては、吸引電動機の吸引力とクランク１２がストッパ１９ａを押す力を利用して駆動スプロケット１８を回転させている。

　さらに、図９に示すように、ストッパ１９ａを溝５３内で移動可能に構成するとともに、ストッパ１９ａにバネ５４を接続するように構成することもできる。バネ５４は、前述の板ばねと同様、クランク１２がストッパ１９ａに衝突する際のショックを軽減させる部材として機能する。この構成においては、通常の平坦路での走行中には、クランク１２はストッパ１９ａにほぼ当接する位置に位置しているが、クランク１２はストッパ１９ａに押圧力を作用させてはいない。過負荷状態となると、ブラシ８の回転すなわちクランク１２の回転に対して駆動スプロケット１８の回転が追従できなくなるので、クランク１２がバネ５４の弾性力に抗してストッパ１９ａを押圧し、これによりストッパ１９ａが溝５３内を移動する。そして、溝５３内の最終位置まで移動された状態のストッパ１９ａをクランク１２が押すことで駆動スプロケット１８が回転する。

　このように実施の形態４によれば、電動補助自転車の電動機として界磁巻線の存在しない吸引電動機を採用しているので、電動補助自転車の駆動部の構造を簡単かつ低コスト化することができる。また固定子に対して回転子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大に寄与し、効率が上がる。さらに、界磁コイルが存在しないので、界磁コイルをスリップリングなどで繋ぐ必要もなくなり、その部分の構造が簡単化される。

　なお、上記実施の形態４によれば、実施の形態２に示した吸引電動機を電動補助自転車の電動機に適用しているが、永久磁石を用いた実施の形態３の吸引反発電動機を電動補助自転車に適用するようにしてもよい。その場合、図６に示した可変抵抗器５２を、図１０に示すように、例えば駆動スプロケット１８に設けるとともに、クランク１２に可変抵抗器５２の抵抗値を可変するための操作レバー５５を連結するようにすればよい。この場合、過負荷で駆動スプロケット１８の回転がブラシ８の回転すなわちクランク１２の回転に対して遅れるほど、操作レバー５５によって回転子巻線に供給される電流が増大して発生トルクが増大するように可変抵抗器の抵抗値が制御されるようにする。

実施の形態５．
　つぎに、図１１を用いてこの発明の実施の形態５について説明する。実施の形態５においては、図６に示した実施の形態３の吸引反発型の電動機をリニアモータに適用するようにしている。図１１−１がリニアモータ停止状態を示し、図１１−２がリニアモータ移動状態を示している。

　図１１において、界磁側のスライダ６０には、複数の磁極がＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓ，…となるように直線状に並べられた永久磁石が用いられている。スライダ６０は移動可能に構成されている。整流子７および電機子４は固定である。電機子４はスライダ６０に対向配置されており、磁極がＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，…となるように直線状に並ぶ電磁石を形成するように電機子巻線が巻かれている。電機子４に形成される各磁極の強さは同一である。

　一対のブラシ８は、整流子７に対し接触しつつ移動自在に構成されている。ブラシ８には直流電源５１および前述の可変抵抗器５２が接続されており、ブラシ８および整流子７を介して回転子巻線に直流電源５１が印加される。

　この実施の形態５のリニアモータにおいては、ブラシ８の移動によって電機子４に形成される電磁石をＳ，Ｎ，Ｓ，Ｎ，…状態のまま移動させる。そして、この電磁石とスライダ（永久磁石）６０に形成された異極性の磁極との吸引力（図１１−２に実線で示した）および電磁石とスライダ６０に形成された同極性の磁極との反発力（図１１−２で破線で示した）を利用して、スライダ６０を電磁石に連れ移動させる。また、可変抵抗器５２の抵抗値を可変制御することで、吸引反発力を調整して移動力を制御する。

　このように実施の形態５によれば、ブラシ８の移動によって電機子４側に形成される電磁石を移動させ、この電磁石と永久磁石（スライダ）６０との吸引反発力を利用して、スライダを電磁石の移動に連れて移動させるようなリニアモータを構成したので、スライダに界磁巻線やコイルスロットを設ける必要が無く、構造を簡単化することができる。またスライダに対して電機子を接近させて配置することができるので、高磁束密度化が可能となり、トルクの増大や小型化に寄与し、効率が上がる。また、スライダの巻線工程が必要ないので、制作費が軽減され、装置コストを下げることができる。

　なお、上記実施の形態５によれば、実施の形態３に示した吸引反発電動機をリニアモータに適用しているが、界磁側に着磁されていない間欠的な凸部２１を有する磁性体を用いた実施の形態２の吸引電動機をリニアモータに適用するようにしてもよい。この場合は、スライダ側は複数の凸部が直線状に間欠的に形成されかつ界磁巻線が巻回されていない磁性体に構成し、ブラシの移動によって形成される電磁石とスライダの凸部２１との吸引力よってスライダを移動させることになる。

　また、上記各実施の形態においては、１対のブラシ８について１個の電磁石が形成される場合について説明したが、ブラシ８の数や電磁石の数は種々の変形例が考えられる。例えば、１対のブラシ８に対して複数の電磁石が生ずるような巻線法を採るようにしてもよい。この場合、回転子巻線電流はどの単位巻線も同じであるので、電磁石を多くすれば吸引力も大きくなる。

この発明の実施形態１にかかる電動機の概念的な構成を示す分解図である。 実施の形態１の電動機の断面的な構成を示す図である。 実施の形態１の電動機のブラシ軸と突起軸とのずれを説明するための概念図であり、突起軸とブラシ軸とが一致する状態を示す図である。 実施の形態１の電動機のブラシ軸と突起軸とのずれを説明するための概念図であり、突起軸とブラシ軸とがずれた状態を示す図である。 実施の形態１の電動機のブラシ軸と突起軸とのずれを説明するための概念図であり、突起軸とブラシ軸とがずれた状態を示す図である。 実施形態１の電動機の回転子の回転を説明するための図であり、回転子巻線電流の正の半波での状態を示す図である。 実施形態１の電動機の回転子の回転を説明するための図であり、回転子巻線電流の正の半波での状態を示す図である。 実施形態１の電動機の回転子の回転を説明するための図であり、回転子巻線電流の負の半波での状態を示す図である。 実施形態１の電動機の回転子の回転を説明するための図であり、回転子巻線電流の負の半波での状態を示す図である。 実施の形態２の電動機の外側回転体の連れ回りを説明するための図であり、回転子巻線電流の正の半波により電磁石が形成されている状態を示す図である。 実施の形態２の電動機の外側回転体の連れ回りを説明するための図であり、回転子巻線電流の負の半波により電磁石が形成されている状態を示す図である。 実施の形態３の電動機の概念的構成を示す図である。 電動補助自転車に適用した実施の形態４の電動機の構成を示す正面図である。 電動補助自転車に適用した実施の形態４の電動機の構成を示す断面図である。 実施の形態４の変形例を示す図である。 実施の形態４の変形例を示す図である。 実施の形態４の変形例を示す図である。 実施の形態５の電動機の概念的構成を示す図であり、リニアモータ停止状態を示す図である。 実施の形態５の電動機の概念的構成を示す図であり、リニアモータ移動状態を示す図である。

符号の説明

　１　固定子
　２　固定子鉄心
　４　回転子（電機子）
　５　回転子巻線
　６　回転子鉄心
　７　整流子
　８　ブラシ
　９　ブラシ回動保持部
　１１　クランク軸
　１２　クランク
　１３　ペダル
　１４　ブラシホルダ
　１５　棒体
　１６　固定軸
　１７　チェーン
　１８　駆動スプロケット
　１９ａ，１９ｂ　ストッパ
　２１　凸部（突起）
　４０　外側鉄心
　５０　外側回転体
　５１　直流電源
　５２　可変抵抗器
　５３　溝
　５４　バネ
　５５　操作レバー
　６０　スライダ
　７１　整流子片
　Ｂ　ブラシ軸
　Ｔ　突起軸

Claims (10)

1. 　界磁巻線が巻回されていない磁性体から成る固定子と、該固定子の内側に配設され回転子巻線が巻かれた回転子と、整流子と、ブラシとを有し、ブラシおよび整流子を介して回転子巻線に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、
   　回転子と対向する固定子の内周面に複数の凸部を間欠的に形成し、
   　前記凸部の中心軸に対して前記電磁石の磁極軸が所定角度ずれるようにブラシを回動して保持するブラシ回動保持部を備え、
   　前記電磁石と凸部との吸引力によって回転子を回転させることを特徴とする電動機。
2. 　前記ブラシ回動保持部は、１つの凸部と該凸部に隣接する凸部との中間位置と、前記１つの凸部の中心軸との間に、前記電磁石の磁極軸が位置するようにブラシを回動して保持することを特徴とする請求項１に記載の電動機。
3. 　界磁巻線が巻回されていない磁性体から成る回転可能な外側回転体と、該外側回転体の内側に配設され直流または交流電源が接続された電機子巻線が巻かれた電機子と、整流子と、ブラシとを有し、ブラシおよび整流子を介して電機子巻線に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、
   　電機子と対向する外側回転体の内周面に複数の凸部を間欠的に形成するとともに、前記電機子を固定しかつ前記ブラシを整流子の周方向に回転自在に構成し、前記ブラシの回転によって形成される電磁石と前記凸部との吸引力によって外側回転体を回転させることを特徴とする電動機。
4. 　複数の磁極が周方向に形成された永久磁石から成る回転可能な外側回転体と、外側回転体の内側に配設され直流電源が接続された電機子巻線が巻かれた電機子と、整流子と、ブラシとを有し、ブラシおよび整流子を介して電機子巻線に流した電流によって電磁石を形成する電動機において、
   　前記電機子を固定しかつ前記ブラシを整流子の周方向に回転自在に構成し、前記ブラシの回転によって形成される電磁石と永久磁石との吸引反発力によって外側回転体を回転させることを特徴とする電動機。
5. 　前記直流電源から電機子巻線に供給される電流を可変する電流可変素子を更に備えることを特徴とする請求項３または４に記載の電動機。
6. 　前記外側回転体をチェーンが巻装される駆動スプロケットとし、
   　ペダルによって回転されるクランク軸に連結されるとともに前記ブラシを保持するブラシ保持部を設け、
   　前記クランク軸の回転を前記ブラシ保持部を介して前記ブラシに伝え、電動補助自転車に用いることを特徴とする請求項３〜５の何れか一つに記載の電動機。
7. 　前記駆動スプロケットの回転が前記ブラシの回転に対し所定角度だけ遅れたときに前記クランク軸の回転を機械的に前記駆動スプロケットに伝達する人力付加機構をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の電動機。
8. 　前記人力付加機構は、前記駆動スプロケットの側面に形成された突起と、前記突起に係合可能に前記ブラシ保持部から突出される棒体とを備え、前記棒体が前記突起を押す力を利用して駆動スプロケットを回転させることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
9. 　前記人力付加機構は、前記ペダルのクランクに係合可能に前記駆動スプロケットの側面に形成された突起を有し、前記クランクが前記突起を押す力を利用して駆動スプロケットを回転させることを特徴とする請求項７に記載の電動機。
10. 　複数の磁極が直線状に形成された永久磁石または複数の凸部が直線状に間欠的に形成されかつ界磁巻線が巻回されていない磁性体より成る移動可能なスライダと、前記スライダに対向配置され、磁極が直線状に並ぶ電磁石を形成するよう電機子巻線が巻かれた電機子と、整流子と、ブラシとを有し、
    　前記電機子を固定し、かつ前記ブラシを前記整流子に対し移動自在に構成し、前記ブラシの移動によって形成される電磁石と前記凸部との吸引力または吸引反発力によってスライダを移動させることを特徴とする電動機。

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