JP2006503531A - 整流子および炭素ブラシを備えた特に模型レーシングカー用の高出力直流モータ - Google Patents

Abstract

直流モータ（３０）は、ケース部材（１６）内に軸（２９）周りで回転可能に取り付けられた回転子（１１）とこの回転子（１１）上に設けられた整流子（１４）ならびに整流子（１４）上に設けられたカーボンブラシ（３２，３３）によって交番方向に外部から直流電流が付加される少なくとも１つのコイル（１３）を備え、整流子（１４）は軸（２９）周りの円筒形表面上に配置された複数の導電性の整流子セグメント（２０）を含み、カーボンブラシ（３２，３３）は整流子（１４）に対して可動的に取り付けられるとともにバネ圧力によって整流子（１４）上に圧接される。この種のモータにおいて、バネ圧力に逆行するカーボンブラシ（３２，３３）の動作が減衰あるいは制動されるのに対してバネ圧力に順行するカーボンブラシ（３２，３３）の動作が殆ど影響を受けないような処置を施すことによって、特に高回転数におけるモータの出力が改善されるとともに火花の形成が抑制される。

Description

この発明は、直流モータの技術分野に関する。この発明は、特に請求項１前段に記載の模型レーシングカー用の高出力モータに関する。

近年、電池によって動作する模型レーシングカー、模型モータボート、または模型飛行機用の駆動装置として、高回転および極めて高出力の直流モータが使用されている。この種の模型レーシングカー用の高出力直流モータの例として、米国ニュージャージー州エディソンのトリニティプロダクツ社のＲＣ２１４０型あるいはＲＣ２１４１型、または本出願人による“クロームツーリング”モータシリーズが挙げられる。この種の従来の直流モータの構造例は図１に簡略化して示されており、ここで部分図１Ａはモータの縦断面を示しており、部分図１Ｂは軸方向から見たモータヘッドの平面図である。図１の直流モータ１０は内側に取り付けられた磁石１７を備えたケース部材１６を有しており、その内部に回転子１１（モータの回転部材）が軸２９周りで回転可能に取り付けられている。この回転子１１は、心棒１５と電機子１２ならびに適宜なコイルおよび整流子１４（簡略化のためコイルのうち１つのみが図示されている）を備えている。

電機子１２は既知のようにより高い永続性の磁性材料から形成される。コイル１３には電流が通流し、直流モータ１０が給電されている際にケース１６上の磁石（永久磁石）１７と相互作用する磁界を形成する。整流子１４は、互いに絶縁され軸２９周りの円筒形表面上に配置された、通常は金属製の個々の導電性整流子セグメント２０から形成されている。これらの整流子セグメント２０は、図示されているようにコイル接続端子１８を介してコイル１３と結合されている。整流子を介して、電機子１２の磁界方向ならびに磁石１７の極性に従った牽引力および押圧力によって回転子１１の回転がもたらされるように、コイル１３を通流する電流の持続時間および方向が制御される。

直流モータ１０のケース部材１６は両端部に滑り支承、球軸受等の軸受けを備えており、これが回転子１１の心棒１５を支承している。さらに、整流子１４が内蔵されているモータヘッド１９内に互いに対向して放射方向に延在しているブラシボックス２４が配置されており、その中にカーボンブラシ２２，２３が支持されている。これらのカーボンブラシ２２，２３は、その名前の通り炭素から形成されている。しかしながら、これは炭素以外の材料、特に炭素、グラファイト、Ｃｕ、Ａｇ等の合成材料から形成することもできる。このカーボンブラシ２２，２３は内側端部が整流子１４に接合しており、従ってモータの固定部から整流子１４を介して回転子１１のコイル１３に電流を通流させる。カーボンブラシ２２，２３は押圧バネ２７によって整流子１４に対して圧接され導電編組２５を介して接続電極２６と結合されている。

直流モータ１０の稼動中において回転子に遠心力がかかり、これは通常心棒１５が静止軸上で回転しないように作用する。回転子１１の心棒１５と軸受けとの間の半径方向の遊び、特に球軸受２１内の遊びによって、回転子１１の軸の放射方向のぶれならびに回転子１１の不均一な回転を可能にする。滑り軸受けを使用する場合、滑り軸受けの磨耗によって遊びが拡大する。

回転子１１の動的なバランシングによってもこの状況は僅かに改善されるのみである。中心のずれは不均一な磁力によってももたらされ得る。モータの駆動力はモータを組み立てた状態において他の回転部に伝達される。応力の受容した際に回転子１１を軸受け壁部に対して圧接するてこ作用が生じる。加速および原則に際してはてこ作用がさらに大きくなり得る。これらの応力はモータの稼動の進行に従って変化し、回転子１１を理想的な中心からずらすよう作用する。

回転子１１の心棒１５の静止軸からずれた回転のため整流子１４も静止軸からずれて、すなわち不均一に回転する。カーボンブラシ２２，２３は押圧バネ２７によって整流子セグメント２０に対して圧接されている。従って、カーボンブラシ２２，２３は回転子１１が不均一に回転している際に整流子１４のぶれに追従する。低回転数に際して、カーボンブラシ２２，２３はそのブラシボックス２４内において動作方向２８内でのぶれによって追従することができ、カーボンブラシ２２，２３と整流子セグメント２０との間の接触は良好に保たれる。

回転数が上昇すると、カーボンブラシ２２，２３は動作方向２８内で整流子１４によって押し退けられて整流子１４から離間し、そのため遅延して次の整流子セグメント２０と接触する。遅延時間をもって電気的接続が形成されモータの出力が低下する。

カーボンブラシ２２，２３は整流子セグメント２０から次のものに均等にスライドしない場合、電気的接続が時間的に遮断される。この遮断とその後の再接触によってカーボンブラシ２２，２３と整流子セグメント２０との間の火花形成がもたらされる。この火花によって整流子セグメント２０が燃焼する。整流子セグメント２０が損傷して電流伝達特性が低下する。整流子１４が早期に磨耗しモータの出力が継続的に低下する。火花および損傷した整流子セグメント２０によってカーボンブラシ２２，２３が極端に磨耗し過熱する。

火花によって熱源が形成され、従って整流子セグメントが変形して不均等に磨耗する。これによってモータの寿命が短縮するとともに出力も低下する。

この種のモータが無線受信機の近くで稼動している場合、火花がさらに電波障害の原因にもなり、リモートコントロールの受信を妨害するかあるいは使用不可能にする。

国際公開第０１／６９７６０号パンフレットあるいは日本国特許出願公開第０７−１９４０６７号公報により、連動しているバネを減衰性の材料（例えばチクソトロープ材料）によって支承することによってカーボンブラシの振動を減衰させることが知られている。さらに、カーボンブラシの側面を板バネによって押圧することによりカーボンブラシの振動を機械的な摩擦によって制動することが知られている。減衰および制動のいずれも対称的なものとなり、すなわちカーボンブラシの両方の動作方向において等しい大きさとなる。整流子から離間するカーボンブラシの動作ならびに整流子に向かってのカーボンブラシの動作の両方を減衰または制動する必要がある。この減衰（制動）によってカーボンブラシと整流子セグメントとの間の再接触の形成が遅延する。この方法によっては充分な改善は達成されない。一方（整流子からのカーボンブラシの持ち上げ）において有利な点が、他方（整流子へのカーボンブラシの接合）において難点となる。

さらに、カーボンブラシ内に固定されている導電編組（図１Ｂの参照符号２５）を介した電流が通常まずカーボンブラシに続いてカーボンブラシを介して整流子に誘導される。全体として電気抵抗を形成している。この電気抵抗を低減することができれば、モータがより大きな出力を有することができる。既知のカーボンブラシの振動の減衰あるいは制動による解決方式では抵抗の低減の点では全く改善が見られない。

米国特許第２９９１３７９号明細書ならびに対応ドイツ国特許出願公開第１１２２６２５号明細書にはサーボモータ用のブラシホルダが開示されており、これにおいてはブラシボックス内におけるカーボンブラシの縦軸はモータ軸に対して４５°の角度を形成する。カーボンブラシの圧力を高める必要なくカーボンブラシの極端な磨耗を防止するとともにより高めたアイドリング回転数を達成するために、ブラシボックス内におけるブラシの支承の改善が提案されている。このため、一実施例（図１）においてブラシボックスを多角形（四角形、六角形）の断面をもって形成し、ブラシボックスの２つの対向する縁部を通って延在する平面内にモータ軸が延在するように構成する。ブラシはこれに対応した断面形状を有し、ブラシホルダの角部によって形成された溝内の対向する２本の縦方向のエッジによって誘導される。このブラシのエッジ誘導によってブラシとブラシホルダとの間の接触面が大きく縮小され、これによって一方でブラシ動作の効果的な摩擦減衰が妨害され、他方でブラシボックスを介したブラシ先端への電流供給が困難になる。

米国特許第２９９１３７９号明細書による第２の実施例において、ブラシは一方が開口した垂直の角を有する断面からなるレール形状のガイド要素内で支承される。ブラシ圧力を形成するバネは、バネが整流子圧力によってのみでなく逆方向のバネ圧力によっても溝形状のガイド要素内に圧接されるように、ガイド要素の縦軸に対して傾斜している。これによってより高められた摩擦減衰が得られるが、しかしながら摩擦減衰はブラシの動作方向に従ったものではなくなる。

米国特許第５６９６４１８号明細書によれば、２つのブラシが機械軸に対して放射方向にずれて配置されている電気整流子装置が開示されている。これによれば、機械軸を包囲するとともに機械軸に対して垂直に延在している板上にブラシボックスを特殊に固定することが提案されている。板金を湾曲して形成したブラシボックスは四角形の断面を有し、下側に突出したラグを板内の対応するスロットに挿入して固定される。ブラシボックスの一側壁内にバネ支承されたタングが形成され（図５，６）、これはブラシボックス内に設置されたブラシを一方向から押圧し、これを反対側のブラシボックス壁部に対して圧接する。この圧接構造によって反対側の壁部に対する摩擦が形成され、これはブラシの動作方向に依存しないものとなる。

さらに、フランス国特許出願公開第２７２３４８１号明細書によれば、それぞれモータ軸に対して放射方向にずらせて配置された２対のブラシボックスを備えた双方向回転性の整流子装置のブラシホルダが開示されている。このブラシホルダは樹脂成形材から形成される。個々のブラシボックスは正方形の断面を有し、角部に内側に向かって陥没したレール（４２）を備えており、その中にブラシの縁部が支承される。樹脂材料によるホルダの形成ならびに特殊な縁部支承のため、このホルダは高出力モータには適しておらず、これは整流子上に生じる熱が効果的にブラシに伝達されず、電流を直接ブラシの前方部に伝送することができず、また動作するブラシに対して極僅かな摩擦減衰しか提供できないためである。

模型レーシングカーのモータは、規則（レース使用のための）の存在によって一方で幾何的（外形寸法）、電気的および機械的設計の制約があるとともに、他方で数分の持続時間で極めて高い出力値（回転数、加速時間、回転トルク等）を達成しなければならないため、この模型レーシングカー用の高出力モータにおいてブラシ上に生じる問題を解決することは極めて困難である。このモータは、６００００ｒｐｍまでの回転数に到達し、これを電流１２０Ａまでに制限された電池または充電池から引き出すことが必要となる。中にブラシが配置されているモータヘッドは１００℃まで加熱することがある。極端な場合ブラシは僅か一回の５．５分のレースしか耐用できない。

電気駆動式の模型レーシングカーのレースにはいわゆるＲＯＡＲ（リモートコントロール自動車レース）規則と呼ばれる国際規則があり、特に電動機に関する制限および条件が規定されている。このＲＯＡＲ規則により、モータは最大３６．０２ｍｍの外径と取り付け板の一端からモータヘッドの最も外側の点まで図って最大５３ｍｍの全長まで有することができる。心棒の直径は１／８インチでなければならない。セラミック磁石のみが使用許可される。整流子は３つのセクタのみを有することができる。同様に特定の巻数が規定されている。基本のモータ型式から、モータのクラスによって異なったものである規則の範囲内において技術的な変更を加えることができる。ここで、いわゆる“ストックモータ”、“リビルダブルモータ”、ならびに“改造モータ”によって異なったものとなる。ブラシならびにモータ内部の構造を含んだ最も広範囲の変更は、最後に挙げたモータクラスでのみ実施することができる。しかしながら、ブラシの変更はスペースが極めて限られていることから非常な困難をもってのみ実現可能である。

発明の説明

従って、本発明の目的は、既知の直流モータの問題点を回避するとともに特に高速回転においてカーボンブラシの振動によるモータ出力の低下を防止し、同時に整流子への電流供給における電気抵抗の低減を可能にする、模型レーシング車両、特に模型レーシングカー用の整流子ならびにカーボンブラシを備えた高出力直流モータを提供することである。

前記の課題は請求の範囲に記載された特徴の組み合わせによって解決される。本発明の中核は、バネ圧力に逆行するカーボンブラシの動作が減衰あるいは制動されると同時に、バネ圧力に順行するカーボンブラシの動作が殆ど影響を受けないことにある。これによって回転する整流子セグメントによるカーボンブラシの押し退けが防止あるいは制限され、他方一度カーボンブラシが押し退けられた場合にもバネ圧力によって即座に整流子セグメントとの接触が形成される。

本発明の好適な一構成例は、カーボンブラシがいずれもブラシボックスによって予め定義された動作方向に滑り支承され、ブラシボックス内においてカーボンブラシが整流子によって生じたバネ圧力に対抗する動作に際して少なくとも１つのブラシボックス壁部上においてより高められた滑り摩擦にさらされるように、カーボンブラシの動作方向が軸に対して放射方向にずれることを特徴とする。整流子がカーボンブラシに対して突き押し力をかけると、カーボンブラシはブラシボックスの傾斜のためにこのブラシボックスの少なくとも１つの壁部に対して圧接され、この少なくとも１つの壁部上の高められた摩擦力によってボックス内における動作が妨害（制動、減衰）される。突き押し圧力が停止すると、カーボンブラシは押圧バネのバネ圧力によって顕著な壁摩擦を伴うことなく再度整流子に圧接される。

カーボンブラシの動作方向は軸に対して放射方向に１５°ないし７５°の角度（α）を形成することが好適である。この角度は特に４５°である。

本発明の第１の追加構成例は、カーボンブラシの動作方向が直流モータの軸に沿って延在している共通平面内に延在することを特徴とする。特に、この点に関して、カーボンブラシの動作方向が斜め外側に向いていることによってカーボンブラシへの良好なアクセス容易性が達成される。

本発明の第２の追加構成例は、カーボンブラシの動作方向が直流モータの軸に対して垂直な共通平面内に延在することを特徴とする。

この際、直流モータの軸周りにおける１８０°の回転によって互いに重なり合うように２つのカーボンブラシを対向して配置すれば特に簡便な構造とすることができる。

ブラシボックスの壁部を良好な導電性を有する材料、特に金属によって形成することにより、ブラシボックスに対する摩擦の強化と連係して電流供給に際しての抵抗の低減、ならびにそれによるモータ出力の改善が達成される。ブラシボックスは良好な導電性を有する電流バイパスを形成し、従ってこの電流は低減した抵抗をもって整流子上の接合するカーボンブラシに伝導することができる。ブラシボックスが電流を供給する装置に対して導電的に結合されれば特に好適である。熱伝導および電流供給の観点において、ブラシボックスをＣｕから形成すれば特に好適である。

稼動中において整流子およびカーボンブラシの領域に発生する熱は、外殻形状のモータヘッド内にブラシボックスを配置し、モータヘッドを良好な熱伝導性を有する材料特に金属によって形成し、ブラシボックスをモータヘッドに対して電気的に絶縁して取り付けることによって、極めて迅速かつ確実に排出することができる。モータヘッドをアルミニウムから形成し、ブラシボックスを陽極処理された中間層によって電気的に絶縁すれば、極めて簡便な構造になるとともに熱特性の観点においても好適である。

モータヘッドが排熱の向上のために周囲に面して冷却リブを備えていればさらに排熱の改善がなされ、この冷却リブは直流モータの軸に対して同心に形成することが好適である。

モータヘッドとブラシボックスを介した受動的な排熱に加えて、モータヘッド内に直流モータの内空間に冷却気流を送風するための通風管を設け、コイル接続端子を介して直流モータのコイルを整流子と導電性に結合し、このコイル接続端子はモータが順方向に回転している際にファンの羽根として作用して通風管を通じて冷却気流を吸引するように形成され、さらに通風管を螺旋状に形成することによって効果的な能動冷却を達成することができる。

自動的に調整される正確な回転子の支承を達成しそれによって整流子上の火花の発生を良好に防止するために、回転子の心棒を整流子上に位置する端部において球軸受内で回転可能に支承し、この球軸受自体も弾力的に支承すれば好適である。これは、球軸受を放射方向および軸方向において弾力的に支承し、この弾力的な支承は一方で球軸受を外側から同心状に包囲するとともに他方で球軸受を軸方向に支承するように作用するＯリングによって実施することによって達成される。

カーボンブラシに対するバネ圧力を形成するためにこのカーボンブラシに向かって先細りとなっている螺旋バネの形状の押圧バネを設け、この押圧バネがカーボンブラシと反対側の端部においてブラシボックス内の切り欠き上で支持され、押圧バネはＩＮＯＸワイヤから形成すれば、容易な組み立てと同時にバネ特性を向上させる構成となる。

モータに対して大きな電流が通流する場合、電流の導電路を可能な限り短く抑えることが好適である。このことは、全ての外から通じている導線がその上でそれぞれの電極に電気的に接続可能である装置をブラシボックスが備えることによって達成することができる。外から通じている導線を接続する装置は、ブラシボックスを囲んでいる好適には複数のセクタに分割されているフランジによって形成することが好適である。

整流子上に発生する火花は無線技術上の障害となる。模型モータの限られたスペース要件にもかかわらず効果的な障害防止を保持するために、モータヘッドの内部にモータの障害防止用の回路を含んだプリント回路基板を配置し、ここで回路基板はブラシボックスに押圧された接触バネを介してブラシボックスと導電的に結合される。加えて、この回路基板上にモータの回転方向確認用の外側から目視可能な発光ダイオードを設けることができる。

次に、本発明の実施例につき、添付図面を参照しながらより詳細に説明する。

前述したように、本発明により整流子およびカーボンブラシを有する直流モータの改善がなされ、それによって整流子セグメントによるカーボンブラシの押し退けに際して自動的に制動力（摩擦）が整流子からのカーボンブラシの離間を防止し、加えてこれはカーボンブラシの押し退けが終始すると同時に整流子セグメント方向へのカーボンブラシの回帰を障害なく自動的に実施させる。

このことを達成するために、カーボンブラシのブラシボックスは該当する整流子セグメントに対する（放射）法線に対して一定の角度で延在する必要があり、すなわちブラシボックスは該当する整流子セグメントに対して垂直には延在しない。

この角度付けのため、カーボンブラシに対する整流子セグメントの圧力によって整流子の近傍においてブラシボックスとその中に存在しているカーボンブラシとの間に強力な押圧接触が形成される。ブラシボックスが良好な導電性を有する材料（例えばＣｕ等）から形成され、またこのブラシボックスが電流を供給するために接続電極と導電性に結合されると、電流の大部分は良好な導電性を有するブラシボックスを介して整流子近傍のカーボンブラシに伝導される。これによって整流に伝送される電流に対しての抵抗が小さくなることが保証される。

ブラシボックスの角度付けのため整流子によってカーボンブラシに作用する押し退け圧力を２つのベクトルに分散することができる。一方のベクトルはカーボンブラシをボックスの壁部に対して圧接してブラシの１つあるいは複数の壁部に対する摩擦力を高め、他方のベクトルはボックスの縦軸の方向に延在してボックス内におけるブラシの動作を推進する。第１のベクトルによって壁部の摩擦のために縦方向の動作の抑制ならびに部分的な動作エネルギーの消滅がもたらされる。これによって整流子からのカーボンブラシの離間上昇が抑制される。整流子の圧力が停止すると、カーボンブラシは押圧バネによって今度は減衰されずに整流子に対して押し戻され、それによって即座に再度電流を通流させる。

ブラシボックスの角度付けならびにそれに従った動作抑制のため、回転子の放射方向動作も抑制され、これが縮小される。それによって回転子が全般的に均一に回転する。

図２には本発明の第１の好適な実施例に従った図１と同様な直流モータが示されており、ここで部分図２Ａはモータの縦断面を示し、部分図２Ｂは軸方向に見た正面図である。同一の構成要素は図１と同一の参照符号で示されている。図３には図２Ａのカーボンブラシの１つの拡大図が示されている。

図２に示されている直流モータ３０は（変更されていない）整流子１４に対するカーボンブラシ３２，３３の配置の点で図１の従来のモータと異なっている。カーボンブラシ３２，３３はその該当するブラシボックス３４と共に斜め外側に指向しており、従ってそのブラシボックス３４によって予め設定された動作方向３９（図３の二重矢印）は同時に図３に示された力学平行四辺形内の力ベクトルＣの方向と等しくなり、これは同時に整流子１４に対する法線の方向（図３の力学平行四辺形内で点線表示されている）である軸２９に対して角度αを形成し、これは１５°ないし７５°の範囲にあり、特に４５°であることが好適である。互いに対向している両方のカーボンブラシ３２，３３は、図２Ｂに示されているように、軸２９に沿って延在している共通平面内に延在している。これは軸２９周りの１８０°の回転によって互いに重ね合わせることができる（回転対称）。

カーボンブラシ３２，３３はカーボンブラシ３２，３３は適宜な押圧バネ（図示された実施例においては螺旋バネ３７）によって整流子１４の整流子セグメント２０に対して斜めに圧接される。この押圧バネ３７はブラシボックス内において適宜なバネ固定器によって固定されている。カーボンブラシ３２，３３は導電編組によって電極接続端子３６と結合されている。ブラシボックス３４の斜め設定ならびにそれに従った動作方向３９によって、力学平行四辺形に従って整流子１４からカーボンブラシ３２に作用する放射方向応力Ａが動作方向３９に平行に作用する応力Ｃと動作方向３９に対して垂直に作用する応力Ｂに分解される。このブラシボックス３４の壁部に対して垂直に作用する応力Ｂがカーボンブラシ３２を壁部に対して圧接し、従ってブラシが動作方向３９に向かって動作する際にブラシボックス３４とカーボンブラシ３２との間の摩擦を増加させる。これによって摩擦減衰がもたらされ、これが整流子３４からのカーボンブラシの離間を制止および減衰する。放射方向の応力Ａが消滅すると、カーボンブラシ３２は押圧バネ３７によって動作方向３９と平行に整流子１４の方向に推進され、この際にカーボンブラシ３２は摩擦またはその他の減衰作用が加わることなくブラシボックス３４内を自由にスライドすることができる。その結果整流子１４からのカーボンブラシの離間時間および離間距離が削減され、それによってモータの出力が上昇する。

カーボンブラシ３２，３３が再びコレクタ１４に接触すると同時に、特にブラシボックス３４が該当する接続電極３６と導電的に結合されている場合、電流がブラシボックス３４の下方部分から整流子に近いカーボンブラシの下方部分に伝導される。この電流は良好な導電性を有するボックス壁部を介してより直接的かつ少ない抵抗をもって整流子１４に伝導される。これによってもモータの出力が改善される。

図４には、本発明の第２の好適な実施例に従った図１と同様な直流モータ４０が示されており、ここで部分図４Ａはモータの縦断面を示し、部分図４Ｂは軸方向に見た正面図である。同一の構成要素は図１と同一の参照符号で示されている。図５には図４Ａのカーボンブラシの１つの拡大図が示されている。

図４に示されているようにカーボンブラシ４２，４３はそのブラシボックス４４と共に軸２９に沿って延在する共通平面内には延在しておらず、軸２９に対して垂直に延在する共通平面内に延在している（図４Ａ参照）。ここで、放射方向（図５の力学平行四辺形において点線で示されている）に対して傾斜した動作方向４１（図５）は、両方のカーボンブラシ４２，４３を図１Ｂに示された位置から互いに逆向きに側方に平行移動して配置することによって達成される。これによっても、放射方向の応力Ａを互いに垂直な２つの応力ＢおよびＣに分解する傾斜角αが形成され、これによって本発明に係るブラシの離間動作の減衰および障害の無いブラシの回帰動作がもたらされる。この場合も角度αは１５°ないし７５°の範囲であり、特に約４５°とすることが好適である。カーボンブラシ４２，４３は前述と同様に導電編組４５を介して接続電極４６と結合される。ここでは押圧バネとしてねじりバネが使用される。同時に、ブラシボックス４４は該当する接続電極４６と結合される。

カーボンブラシ３２，３３の縦軸がモータ軸２９に対して約４５°の角度を形成するとともに軸２９と共に１つの平面内に延在している図２のブラシ構成に対して、ブラシボックスおよびカーボンブラシを備えたモータヘッドを図６および図７に示された実施例に従って構成すれば、限られたスペース要件においてもモータの出力および熱特性に関して更なる改善を達成することができる。

図６に従ったモータヘッドは外殻として形成されている。これは良好な熱伝導性の理由からアルミニウムから形成され、外側に複数の冷却リブ４９を備えており、これは軸２９と同心のリングとして形成されている。冷却リブ４９は当然モータヘッド４８と周囲の空気との間の熱伝導面を拡大するものである。

モータヘッド４８の中央に軸方向の孔部が延在しており、これは回転子の心棒５８を支承するための球軸受５５を収容するものである。この球軸受５５自体もモータヘッド４８内で放射方向および軸方向において弾力的に支承され、それによって６００００ｒｐｍまでの高い回転数に際して自動調整される正確な支承を可能にして不均一な回転によるカーボンブラシのぶれを最小化する。弾力的な支承のために２つのＯリング５６および５７が使用される（図６Ｂ）。Ｏリング５６は軸方向において球軸受５５とモータヘッドの中央孔部内の切り欠きとの間に位置している。これは球軸受が軸方向において切り欠き上に弾力的に支承されるように作用する。他方のＯリング５７は球軸受５５の外殻を同心状に包囲しており、孔部内における球軸受の弾力的な支承を可能にする。

管形状のブラシボックス５０，５１を収容するために、モータヘッド４８がこれに対応する斜めの孔部を備えている。この孔部の内壁は陽極酸化され従って薄い電気絶縁層を形成し、これはこれらのブラシボックス５０，５１とモータヘッド４８との間の良好な熱接触に影響を与えることなくこの孔部内に挿入されるブラシボックス５０，５１をモータヘッド４８から電気的に絶縁する。これによってブラシボックス５０，５１をカーボンブラシ（図７の６３）に対する電流供給源として使用し得ると同時に、カーボンブラシによって受容された熱を効果的にモータヘッド４８に伝達しそこから冷却リブ４９を介して周囲に放散することを保証する。さらにブラシボックス５０，５１はその下端が整流子５９の直近まで延在している。これによってブラシボックス５０，５１を介して一方で少ない抵抗で電流をカーボンブラシ６３の先端に伝導し、他方で熱をカーボンブラシ６３の先端から直接モータヘッド３８に伝導することが保持される。

レース稼動中において１００℃までの熱が発生し得る整流子５９およびモータヘッド４８を冷却するための別の効果的な方式は、モータヘッド４８内に切削された渦巻状に延在する通気管６６であり（図６Ａ）、これによってモータヘッド４８の内部を周囲の環境と接続する。ここで外側から内側への渦巻の回転方向がモータの回転方向に相当する。通気管６６によってモータヘッド４８の外から内部に冷却気流を吸引することができ、これは軸方向にモータを貫通して他方のモータ端面から排出される。この吸引は整流子５９に通じるコイル（図２Ａの１３）のコイル端子（図２の１８）をモータが順方向に回転している際にファンスクリューとして作用するように折り曲げこれによってコイルを貫通して軸方向に空気を推進することによって簡便に達成することができる。

可能な限り損失を抑えて整流子５９に電流を伝導するために、電気的にも新規の方式を採用することができる。従来のレーシングモータにおいては、実質的な電流供給線および制御線を接続するために使用される、場所的に離間して配置された２本の接続ラグによって導電的に結合されている。カーボンブラシ内に埋め込まれた導電編組（図７の６４）は第３の場所にハンダ付けされている。これによって比較的長い導電路が形成され、これは大きな電流が生じた場合に悪い影響を及ぼす。これに対して、図６および図７に示された実施例においては、より短い伝送路を実現するために、極ごとに全ての導電線（電流供給線、制御線ならびに導電編組）を該当するブラシボックス上のただ一箇所において接続する。このため、各ブラシボックス５０，５１がモータヘッド４８から外側に突出している部分の直近にリング形状のフランジ５４を備えており（図６Ｃも参照）、その上に各導線がハンダ付けされている。それによって各導線を問題なく個々にフランジ５４にハンダ付けすることができるよう、フランジ５４は精密に定義された厚みを有するとともに互いに熱接続された個々のセクタ６８に分割されている。

この構造によって各極上で電流が好適に３つの異なった経路でカーボンブラシの先端に誘導され、それらは（ｉ）導電編組６４およびカーボンブラシ６３を介するものと、（ｉｉ）ブラシボックス５０，５１を介するものと、（ｉｉｉ）押圧バネ６５およびカーボンブラシ６３を介するものである。

レース中の大きな磨耗のため頻繁に交換する必要があるカーボンブラシをより簡便に取り付けるために、図６および図７の実施例においてブラシボックス５０，５１および押圧バネ６５が特殊な方式で形成されており：ブラシボックス５０，５１の外側端部の手前により大きな内径を有する（拡幅された）部分６２が設けられている。この拡幅によってブラシボックス５０，５１内に切り欠きが形成され、その上に押圧バネ６５の外側端部を支承することができる。押圧バネ６５を外側から問題なくブラシボックス５０，５１内に挿入して切り欠きの後に固定することができるように、押圧バネ６５はいくらか錐形に先細りとなるように形成されている。この錐形の形状によって押圧バネ６５が不要な共振状態になることが防止される。押圧バネ６５はＩＮＯＸ鋼線によって形成することが好適であり、それによって広範囲の発生熱に対してバネ定数が極めて安定したものとなる。カーボンブラシ６３を取り付けるために、図７の状態から、導電編組を介してカーボンブラシ６３の前端に接合するまで押圧バネ６５を推進する。その後カーボンブラシ６３および押圧バネ６５は、押圧バネ６５がその外側端部において部分６２の切り欠きに嵌合するまで挿入される（図７Ｂ）。さらに、導電編組６４がブラシボックス５０の外側端部に設けられたスロット５２を介して外側に誘導され、引っ張り圧力を解放するためにカラー５３の下側においてブラシボックス５０周りに複数回巻き付けられフランジ５４上に固定してハンダ付けされる。

外殻形状のモータヘッド４８によって形成される内空間はスペースを節約しながらモータの混信排除のための要素を装備するように使用することができる。コンデンサを含んだ混信排除要素がプリント基板６２上に配置され、これは整流子５９を半円形に包囲している。混信排除回路の電気接続は適宜に湾曲した接触バネ６０を介して直接的に実施され、これは接触を形成しながら回路基板６１の縁部上に押し込まれ、ブラシボックス５０，５１を直接押圧している（図６Ｂ）。回路基板６１上にはさらに外から目視可能な発光ダイオード（ＬＥＤ）６７を設けることができ、これは回転方向を確認するために使用され、モータが適正に接続されている場合にのみ点灯する。回路基板６１上の全ての要素はスペースを節約する観点から表面実装（ＳＭＤ）素子から構成することが好適である。

本発明は全体として以下の特徴および利点を有している：
− ブラシボックスの傾斜配置のためカーボンブラシに対する整流子セグメントの圧力が下方の整流子に近い場所においてブラシボックスとカーボンブラシとの間に強力な接触を形成させる。従って電流の一部が良好な導電性を有するブラシボックスを介して整流子近くのカーボンブラシに伝導される。これによって抵抗が低減する。
− ブラシボックスの傾斜配置のため整流子からカーボンブラシに作用し得る押し退け圧力が２つのベクトルに分解される。１つのベクトルはカーボンブラシをボックスの少なくとも１つの壁部に圧接し、そのボックス内においてカーボンブラシは第２のベクトルに従って摺動することができる（カーボンの縦方向）。壁部への摩擦がエネルギーの一部を消滅させる。これによってカーボンブラシの整流子からの離間が抑制される。整流子の圧力が停止すると、カーボンブラシは通常の押圧バネによって減衰されることなく整流子に圧接され、それによって即座に電流が通流する。
− ブラシボックスの傾斜配置によって回転子の放射方向振動が抑制され；この動作を小さなものに保持する。これによって整流子が均一に回転する。
− 追加的な可動部品が必要でないことが好適である。カーボンブラシの質量は、可能な限り慣性モーメントを小さく維持するように小さく抑制することができる。例えば、可動部分の重量によって特性が低下し得るため液圧式の緩衝器は不適格である。
− カーボンブラシの最適な設置角度は４５°±３０°と定義することができる。
− 設置角度に従って減衰強度を調節することができる。
− 垂直な設置（ブラシボックスが整流子セグメントに対して垂直に延在する；α＝０）においては減衰力が０である。設置角を大きくするほど減衰力が増加する。

従来の技術による直流モータの軸方向断面図（図１Ａ）および前面図（図１Ｂ）である。 本発明の第１の好適な実施例に従った図１と同様な直流モータの構成図である。 図２Ａのブラシ構成の拡大図である。 本発明の第２の好適な実施例に従った図１と同様な直流モータの構成図である。 図４Ｂのブラシ構成の拡大図である。 出力を改善するための多数の追加的な処置を備えた本発明の第３の好適な実施例に従った直流モータのモータヘッドの側面図（図６Ａ）および縦断面（図６Ｂ）、ならびにブラシボックスの上面図（図６Ｃ）である。 図６に示された状態（図７Ａ）および組み立てられた状態（図７Ｂ）におけるモータヘッド内のブラシ構造および配置を示す説明図である。

符号の説明

１０ モータ
１１ 回転子
１２ 電機子
１３ コイル
１４，５９ 整流子
１５，５８ 心棒
１６ ケース部材
１７ 磁石
１８ コイル端子
１９，４８ モータヘッド
２０ 整流子セグメント（導電性）
２１，５５ 球軸受
２２，２３ カーボンブラシ
２４ ブラシボックス
２５ 導電編組
２６ 接続電極
２７ 押圧バネ
２８ 動作方向
２９ 軸
３０ 直流モータ
３２，３３ カーボンブラシ
３４ ブラシボックス
３５ 導電編組
３６ 接続電極
３７ 押圧バネ
３８ バネ固定器
３９ 動作方向
４０ 直流モータ
４１ 動作方向
４２，４３ カーボンブラシ
４４ ブラシボックス
４５，６４ 導電編組
４６ 接続電極
４７，６５ 押圧バネ
４９ 冷却リブ
５０，５１ ブラシボックス
５２ スロット
５３ カラー
５４ フランジ
５６，５７ Ｏリング
６０ 接触バネ
６１ 回路基板
６２ 拡幅部分
６３ カーボンブラシ
６６ 通気管
６７ 発光ダイオード（ＬＥＤ）
６８ セクタ（フランジ）
α（アルファ） 角度（動作方向と放射方向の間）

Claims (25)

1. ケース部材（１６）内に軸（２９）周りで回転可能に取り付けられた回転子（１１）とこの回転子（１１）上に設けられた整流子（１４，５９）ならびに整流子（１４）上に設けられたカーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）によって交番方向に外部から直流電流が付加される少なくとも１つのコイル（１３）とからなり、整流子（１４）は軸（２９）周りの円筒形表面上に配置された複数の導電性の整流子セグメント（２０）を含み、カーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）は整流子（１４）に対して可動的に取り付けられるとともにバネ圧力によって整流子（１４）上に圧接されてなる、特に模型レーシングカー用の高出力直流モータ（３０，４０）であり、バネ圧力に逆行するカーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）の動作が減衰あるいは制動されるのに対してバネ圧力に順行するカーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）の動作が殆ど影響を受けないような処置を施すことを特徴とする直流モータ。
2. ブラシボックス（３４，４４；５０，５１）内においてカーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）がいずれもブラシボックス（３４，４４；５０，５１）によって規定された動作方向（３９，４１）に滑り支承され、カーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）がブラシボックス（３４，４４；５０，５１）内において整流子（１４）によって生じた、バネ圧力に逆行する動作に際して少なくとも１つのブラシボックス（３４，４４；５０，５１）の壁部上においてより高められた滑り摩擦にさらされるように、カーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）の動作方向（３９，４１）が軸（２９）に対して放射方向にずれることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
3. カーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）の動作方向（３９，４１）は軸（２９）に対して放射方向に１５°ないし７５°の角度（α）を形成することを特徴とする請求項２記載の直流モータ。
4. この角度（α）は４５°であることを特徴とする請求項３記載の直流モータ。
5. カーボンブラシ（３２，３３；６３）の動作方向（３９）が直流モータ（３０）の軸（２９）に沿って延在している共通平面内に延在することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の直流モータ。
6. カーボンブラシ（３２，３３；６３）の動作方向（３９）が斜め外側に向いていることを特徴とする請求項５記載の直流モータ。
7. カーボンブラシ（４２，４３）の動作方向（４１）が直流モータ（４０）の軸（２９）に対して垂直な共通平面内に延在することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の直流モータ。
8. 直流モータ（３０，４０）の軸（２９）周りにおける１８０°の回転によって互いに重なり合うように２つのカーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）を対向して配置することを特徴とする請求項２ないし７のいずれかに記載の直流モータ。
9. ブラシボックス（３４，４４；５０，５１）の壁部を良好な導電性を有する材料、特に金属によって形成し、電流を供給する装置（３６，４６）に対してブラシボックス（３４，４４；５０，５１）を導電的に結合することを特徴とする請求項２ないし８のいずれかに記載の直流モータ。
10. ブラシボックス（３４，４４；５０，５１）の壁部をＣｕから形成することを特徴とする請求項９記載の直流モータ。
11. ブラシボックス（３４，４４；５０，５１）およびカーボンブラシ（３２，３３；４２，４３；６３）はいずれも円形の断面を有することを特徴とする請求項２ないし１０のいずれかに記載の直流モータ。
12. 外殻形状のモータヘッド（１９，４８）内にブラシボックス（３４，４４；５０，５１）を配置し、モータヘッド（１９，４８）を良好な熱伝導性を有する材料特に金属によって形成し、ブラシボックス（３４，４４；５０，５１）をモータヘッドに対して電気的に絶縁して取り付けることを特徴とする請求項９または１０記載の直流モータ。
13. モータヘッド（１９，４８）をアルミニウムから形成し、ブラシボックス（３４，４４；５０，５１）を陽極処理された中間層によってモータヘッド（１９，４８）から電気的に絶縁することを特徴とする請求項１２記載の直流モータ。
14. モータヘッド（４８）が排熱を改善するための冷却リブ（４９）を外面に備えることを特徴とする請求項１２または１３記載の直流モータ。
15. 冷却リブ（４９）は直流モータ（３０，４０）の軸（２９）に対して同心に形成されることを特徴とする請求項１４記載の直流モータ。
16. モータヘッド（４８）内に直流モータ（３０，４０）の内空間に冷却気流を送風するための通風管（６６）を設けることを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれかに記載の直流モータ。
17. コイル接続端子（１８）を介して直流モータ（３０，４０）のコイル（１３）を整流子と導電性に結合し、このコイル接続端子（１８）はモータが順方向に回転している際にファンの羽根として作用して通風管（６６）を通じて冷却気流を吸引するように形成されることを特徴とする請求項１６記載の直流モータ。
18. 通風管（６６）を渦巻状に形成することを特徴とする請求項１６または１７記載の直流モータ。
19. 回転子（１１）の心棒（１５，５８）を整流子（１４，５９）上に位置する端部において球軸受（２１，５５）内で回転可能に支承し、この球軸受（５５）自体も弾力的に支承することを特徴とする請求項１ないし１８のいずれかに記載の直流モータ。
20. 球軸受（５５）を放射方向および軸方向において弾力的に支承し、この弾力的な支承は一方で球軸受（５５）を外側から同心状に包囲するとともに他方で球軸受（５５）を軸方向に支承するように作用するＯリング（５６，５７）によって行うことを特徴とする請求項１９記載の直流モータ。
21. カーボンブラシ（６３）に対するバネ圧力を形成するためにこのカーボンブラシ（６３）に向かって先細りとなっている螺旋バネの形状の押圧バネ（６５）を設け、この押圧バネ（６５）がカーボンブラシ（６３）と反対側の端部においてブラシボックス（５０，５１）内の切り欠き（６２）上で支持され、押圧バネ（６５）はＩＮＯＸワイヤから形成することを特徴とする請求項２ないし２０のいずれかに記載の直流モータ。
22. 全ての外から通じている導線がその上でそれぞれの電極に電気的に接続可能である装置（５４）をブラシボックス（５０，５１）が備えることを特徴とする請求項９または１０記載の直流モータ。
23. 外から通じている導線を接続する装置はブラシボックス（５０，５１）を囲んでいる好適には複数のセクタ（６８）に分割されているフランジ（５４）によって形成することを特徴とする請求項２２記載の直流モータ。
24. モータヘッド（４８）の内部にモータの電波障害防止用の回路を含んだプリント回路基板（６１）を配置し、ここで回路基板（６１）はブラシボックス（５０，５１）に押圧された接触バネ（６０）を介してブラシボックスと導電的に結合されることを特徴とする請求項１２記載の直流モータ。
25. 回路基板（６１）上にモータの回転方向確認用の外側から目視可能な発光ダイオード（６７）を設けることを特徴とする請求項２４記載の直流モータ。

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