JP2009081957A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】両回転で同等の回転特性を発揮しつつその回転特性をともに向上できる直流モータを提供する。
【解決手段】正転方向に所定角度シフトさせた正転用ブラシ７ａ，７ｂと、逆転方向に正転側と同量シフトさせた逆転用ブラシ７ｃ，７ｄとを有し、切替スイッチＳＷにより、正転駆動時には正転用ブラシ７ａ，７ｂによる給電、逆転駆動時には逆転用ブラシ７ｃ，７ｄによる給電に切り替える構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、両回転駆動させる用途に用いると好適な給電ブラシ付きの直流モータに関するものである。

直流モータは、電機子に回転駆動のための給電を行う整流子が備えられており、その整流子に対し給電ブラシを摺接させて給電を行うことで回転駆動するように構成されている。このような直流モータにおいては、例えば特許文献１にて示されているように、給電ブラシが軸方向に押圧接触されると共に、給電ブラシが摺接する摺接面が軸直交平面となる平面型の整流子のものが提案されている。
特開２００７−１８１２７５号公報

ところで、上記のような給電ブラシ付きの直流モータを一方向回転に限定する用途に使用する場合では、他方向側への回転特性を犠牲にしてまでもその一方側への回転特性の向上に特化させることが可能である。これに対し、その直流モータを両回転駆動させる用途に使用する場合では、両回転駆動を見据えた妥当な設定として両回転で同等な回転特性を発揮するように構成することが一般的に採用されることから、各方向の回転特性をともに向上させる余地があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、両回転で同等の回転特性を発揮しつつその回転特性をともに向上させることができる直流モータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、複数個のセグメントが周方向に並設された整流子に給電ブラシを押圧接触させ、その給電ブラシ及び整流子にて電機子に回転駆動のための電源供給がなされる構成の直流モータであって、前記給電ブラシは、正転方向にシフトさせて配置した正転用ブラシと、逆転方向に正転側と同量シフトさせて配置した逆転用ブラシとで構成され、正転駆動時には前記正転用ブラシによる給電、逆転駆動時には前記逆転用ブラシによる給電に切り替える切替手段を備えたことをその要旨とする。

この発明では、正転方向にシフトさせた正転用ブラシと、逆転方向に正転側と同量シフトさせた逆転用ブラシとで給電ブラシが構成され、切替手段により、正転駆動時には正転用ブラシによる給電、逆転駆動時には逆転用ブラシによる給電に切り替えられる。これにより、いずれの方向に回転させても整流時のコイル電流変化が改善されるため（図５及び実施形態参照）、このことが磁気変動や火花放電の低減に繋がり、モータの振動低減や給電ブラシの磨耗低減を図ることが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流モータにおいて、前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、各方向の回転時において前記セグメントから離間する側に高抵抗部分が設けられていることをその要旨とする。

この発明では、正転用ブラシ及び逆転用ブラシは、各方向の回転時においてセグメントから離間する側に高抵抗部分が設けられることから、整流時のコイル電流変化がより改善され、より一層のモータの振動低減や給電ブラシの磨耗低減を図ることが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の直流モータにおいて、陽極側と陰極側とで対をなす前記給電ブラシが３組以上配置可能であり、前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、対をなす陽極側と陰極側とがそれぞれ隣接して配置されるとともに、正転用と逆転用とが狭角度範囲側で互いに近接する方向にシフトして配置されていることをその要旨とする。

この発明では、給電ブラシが３組以上配置可能なモータにおいて、正転用ブラシ及び逆転用ブラシは、対をなす陽極側と陰極側とがそれぞれ隣接して配置され、正転用と逆転用とが狭角度範囲側で互いに近接する方向にシフトして配置される。これにより、給電ブラシがより集合した配置となるため、各ブラシまでの電源線の長さを短くすること等に貢献できる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の直流モータにおいて、前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、１組ずつ用いられていることをその要旨とする。
この発明では、正転用ブラシ及び逆転用ブラシは１組ずつ用いられるため、部品数の極力少ない構成が可能となる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、両者間のブラシシフト量の合計が前記セグメントの１個分に相当する角度範囲内に設定されていることをその要旨とする。

この発明では、正転用ブラシ及び逆転用ブラシは、両者間のブラシシフト量の合計がセグメントの１個分に相当する角度範囲内となるようにシフト量が設定され、整流時のコイル電流変化の改善が図られる。

本発明によれば、両回転で同等の回転特性を発揮しつつその回転特性をともに向上させることができる直流モータを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態の直流モータを示す。本実施形態の直流モータは、両回転駆動するものであり、車両に搭載されるパワーウインド装置用の駆動源として使用される。有底円筒状のモータハウジング１の内周面には、６磁極を構成するマグネット２が固着されており、該ハウジング１の底部中央には軸受３ａが固定されている。モータハウジング１の開口部は、電機子１１を収容した後に略円板状のエンドフレーム４にて閉塞され、このエンドフレーム４の中央には前記軸受３ａと対をなす軸受３ｂが固定されている。

エンドフレーム４におけるモータハウジング１側の面には、ブラシホルダ５が固定されている。ブラシホルダ５は、エンドフレーム４に固定される円板状の固定板５ａと、該固定板５ａ上から軸方向に延びる四角筒状のブラシ保持部５ｂとが一体に形成されてなる。各ブラシ保持部５ｂは、固定板５ａの中心の同一円周上において、周方向に所定間隔を有して４つ設けられている（図１では、２つを図示）。各ブラシ保持部５ｂの近傍には、それぞれ板ばね６が備えられている。各ブラシ保持部５ｂには、それぞれ略直方体状をなす給電ブラシ７ａ〜７ｄが収容され、各給電ブラシ７ａ〜７ｄは、後述の整流子２１に押圧接触するように板ばね６により付勢され、整流子２１の同一円周上を摺接する。

給電ブラシ７ａ〜７ｄは、図２に示すように、陽極側及び陰極側で一対の正転用ブラシ７ａ，７ｂと、一対の逆転用ブラシ７ｃ，７ｄとで構成されている。
正転用ブラシ７ａ，７ｂは、その陽極側用に対して陰極側用が正転方向に６０°間隔（隣接するマグネット２の磁極中心間の角度間隔に相当）を有して配置されている。この正転用ブラシ７ａ，７ｂは、本実施形態では図３（ａ）に示すように、それぞれ対応するマグネット２の磁極中心線から正転方向（ＣＷ方向）に所定角度（例えば４°）シフトした位置にそれぞれ配置されている。逆転用ブラシ７ｃ，７ｄも同様に、その陽極側用に対して陰極側用が正転方向に６０°間隔を有して配置されている。この逆転用ブラシ７ｃ，７ｄは、本実施形態では図３（ｂ）に示すように、それぞれ対応するマグネット２の磁極中心線から逆転方向（ＣＣＷ方向）に正転側と同量（例えば４°）にシフトした位置にそれぞれ配置されている。また、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄは、狭角度範囲側（１２０°範囲側）で同極同士が互いに近接する方向にシフトして配置され、逆転用ブラシ７ｃ，７ｄが正転用ブラシ７ａ，７ｂに対して正転方向側に配置されている。これら正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄは、一方の半周領域に集合させて配置されている。

このような正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄは、図２に示すように、切替スイッチＳＷに電源線８を介して接続され、該切替スイッチＳＷを介して外部電源Ｅから駆動電源の供給を受ける。因みに、正転用ブラシ７ａ，７ｂと逆転用ブラシ７ｃ，７ｄとは、挟角度範囲で互いに近接する方向にシフトして配置されることから、電源線８の長さを短くすることにも貢献している。そして、切替スイッチＳＷは、正転駆動時には正転用ブラシ７ａ，７ｂを介して電機子１１に駆動電源を供給し、逆転駆動時には逆転用ブラシ７ｃ，７ｄを介して電機子１１に駆動電源を供給するように切り替えられるようになっている。この切替スイッチＳＷは直流モータに一体に備えられ、別体に備える構成とすることもできる。

図１に示すように、前記モータハウジング１及びエンドフレーム４にて囲まれた空間内には、電機子１１が回転可能に収容されている。電機子１１を構成する回転軸１２は、一対の前記軸受３ａ，３ｂによって回転可能に支持され、該回転軸１２の一部がエンドフレーム４から外部に突出している。回転軸１２に固定されたコア１３は、図１及び図２に示すように、等角度間隔で放射状に延びる８個のティース１４ａ〜１４ｈを有している。コア１３には、装着されたインシュレータ１５の上から各ティース１４ａ〜１４ｈに導線がそれぞれ集中巻きにて巻回され、８個のコイル１６ａ〜１６ｈが構成される。

前記回転軸１２におけるコア１３の前記ブラシホルダ５側には、整流子２１が固定される。整流子２１は、周方向に配置された２４個のセグメント２２の一部、及び同電位となるセグメント２２同士を短絡するための短絡部材２３の全部が絶縁樹脂材料よりなる保持部２４に埋設されるように構成されている。２４個のセグメント２２は、軸方向から見た形状が略扇形状をなす互いに同形状をなし、軸直交平面となる露出した一面が前記各給電ブラシ７ａ〜７ｄの摺接する摺接面２２ａとなっている。図２に示すように、各セグメント２２には、ティース１４ａ〜１４ｈの正面に配置された隣り合うセグメント２２のそれぞれに対し（１個のセグメント２２を空けた２個ずつのセグメント２２に対し）、コイル１６ａ〜１６ｈの端末線１６ｘのそれぞれが接続されている。また、各セグメント２２は、短絡部材２３により１２０°間隔を空けて配置されたセグメント２２にそれぞれ接続され、これらのセグメント２２同士が短絡される。

このように構成された本実施形態の直流モータでは、切替スイッチＳＷにより給電ブラシ７ａ〜７ｄが切り替えられ、正転駆動時には正転用ブラシ７ａ，７ｂが、逆転駆動時には逆転用ブラシ７ｃ，７ｄがそれぞれ選択され、その選択されたブラシ７ａ〜７ｄにて電機子１１に駆動電源の供給が行われる。この場合、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄは、それぞれマグネット２の磁極中心線上の通常位置から所定角度（例えば４°）シフトされる、即ちシミュレーション等にて設定される磁気偏倚が小さくなる角度シフトされることから、図５（ａ）に示すように、いずれの方向に回転させても整流時のコイル電流が急激に変化する部分の落差Ａ１が小さくなり、若干ながらも改善が見られる。

ここで、図５（ｃ）に示す整流時のコイル電流変化は、給電ブラシ７ａ〜７ｄのシフトを行わない場合のものであり、整流時のコイル電流が急激に変化する部分の落差Ａ０は大きい。因みに、この落差が大きい程、磁気変動が大きいことを意味しているため、回転時の振動増となり、またこの落差が大きい程、火花放電が生じ易いため、ブラシの磨耗も増大する。これに対し本実施形態では、整流時のコイル電流が急激に変化する部分の落差Ａ１が小さいことから、磁気変動によるモータの振動が低減されるとともに、火花放電による給電ブラシ７ａ〜７ｄの磨耗が低減されている。

尚、ブラシシフト量は、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄの個々で例えば４°とし、両者間の合計で８°としているが、両者間でセグメント２２の１個分の角度、本実施形態ではセグメント数が２４個であるため１５°未満のブラシシフトで磁気偏倚の改善がみられた。従って、ブラシシフト量は、正転用と逆転用との両者間の合計がセグメント２２の１個分の角度範囲内で適宜変更可能である。

更に、図４に示すように、給電ブラシ７ａ〜７ｄを、高抵抗材料よりなる高抵抗部分７ｘを有する２層構造とし、正転用ブラシ７ａ，７ｂでは正転方向後側（逆転方向側）に、逆転用ブラシ７ｃ，７ｄでは逆転方向後側（正転方向側）にそれぞれ設けられている。つまり、各方向の回転時においてそれぞれ高抵抗部分７ｘにてセグメント２２から離間することから、図５（ｂ）に示すように、いずれの方向に回転させても整流時のコイル電流が急激に変化する部分の落差Ａ２がより小さく抑えられる。つまり、このような２層構造の給電ブラシ７ａ〜７ｄを用いる態様は、モータの振動や給電ブラシ７ａ〜７ｄの磨耗がより一層低減される好ましい態様である。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、正転方向に所定角度（例えば４°）シフトさせた正転用ブラシ７ａ，７ｂと、逆転方向に正転側と同量シフトさせた逆転用ブラシ７ｃ，７ｄとを有し、切替スイッチＳＷにより、正転駆動時には正転用ブラシ７ａ，７ｂによる給電、逆転駆動時には逆転用ブラシ７ｃ，７ｄによる給電に切り替える構成とした。この場合の両者間のブラシシフト量の合計は、セグメント２２の１個分に相当する角度範囲内（１５°未満）となるように設定されている。このような構成としたことにより、いずれの方向に回転させても整流時のコイル電流変化が図５（ａ）に示すように図５（ｂ）のシフトなしと比べて改善されるため、このことが磁気変動や火花放電の低減に繋がり、モータの振動低減や給電ブラシの磨耗低減を図ることができる。従って、両回転で同等の回転特性を発揮しつつその回転特性をともに向上させることができる。

（２）給電ブラシが３組配置可能な本実施形態のモータにおいて、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄは、対をなす陽極側と陰極側とがそれぞれ隣接して配置され、正転用と逆転用とが狭角度範囲側で互いに近接する方向にシフトして配置されている。これにより、給電ブラシ７ａ〜７ｄがより集合した配置となるため、各ブラシ７ａ〜７ｄまでの電源線８の長さを短くすること等に貢献することができる。

（３）給電ブラシが３組配置可能な本実施形態のモータにおいて、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄを１組ずつの構成としたため、部品数の極力少ない構成とすることができる。

（４）図４のように正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄに対し、各方向の回転時においてセグメント２２から離間する側に高抵抗部分７ｘを設けることで、整流時のコイル電流変化を図５（ｂ）に示すようにより改善でき、より一層のモータの振動低減や給電ブラシの磨耗低減を図ることが可能である。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、マグネット２側の磁極数を「６」、電機子１１側の磁極数（コイル数）を「８」、整流子２１のセグメント数を「２４」、給電ブラシ７ａ〜７ｄの個数を２組で「４」のモータに実施したが、４個（２組）以上の給電ブラシが配置可能なモータであれば、それらの数を適宜変更してもよい。

・上記実施形態では、正転用ブラシ７ａ，７ｂと逆転用ブラシ７ｃ，７ｄとが狭角度範囲側で互いに近接する方向にシフトして配置されているが、例えば正転用ブラシ７ａ，７ｂと逆転用ブラシ７ｃ，７ｄとを入れ替える等して、狭角度範囲側で互いに離間する方向にシフトした配置としてもよい。また、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄでそれら陽極側と陰極側とを隣接させたが、例えば正転用と逆転用とで交互に配置させてもよい。また、１組分の空いている場所を使用し、正転用ブラシ７ａ，７ｂ及び逆転用ブラシ７ｃ，７ｄを周方向に分散して配置させてもよい。

・上記実施形態では、軸直交平面の摺接面２２ａを有する平面型の整流子２１を用いたモータに実施したが、外周面にセグメントを並設した円筒状の整流子を用いたモータに実施してもよい。

・上記実施形態では、車載のパワーウインド装置用のモータに実施したが、パワーウインド装置以外の車載の装置又は車載以外の装置の両回転駆動モータに実施してもよい。

本実施形態における直流モータの縦断面図である。 本実施形態の直流モータの結線図である。 （ａ）（ｂ）は、給電ブラシのブラシシフトを説明するための図である。 （ａ）（ｂ）は、高抵抗材料を用いた２層構造の給電ブラシのブラシシフトを説明するための図である。 （ａ）は、通常構造の給電ブラシをシフトした場合の整流時のコイル電流変化を示す波形図であり、（ｂ）は、高抵抗材料を用いた２層構造の給電ブラシをシフトした場合の整流時のコイル電流変化を示す波形図であり、（ｃ）は、通常構造の給電ブラシのシフトを行わない場合の整流時のコイル電流変化を示す波形図である。

符号の説明

７ａ，７ｂ…正転用ブラシ（給電ブラシ）、７ｃ，７ｄ…逆転用ブラシ（給電ブラシ）、７ｘ…高抵抗部分、１１…電機子、２１…整流子、２２…セグメント、ＳＷ…切替手段としての切替スイッチ。

Claims (5)

1. 複数個のセグメントが周方向に並設された整流子に給電ブラシを押圧接触させ、その給電ブラシ及び整流子にて電機子に回転駆動のための電源供給がなされる構成の直流モータであって、
   前記給電ブラシは、正転方向にシフトさせて配置した正転用ブラシと、逆転方向に正転側と同量シフトさせて配置した逆転用ブラシとで構成され、
   正転駆動時には前記正転用ブラシによる給電、逆転駆動時には前記逆転用ブラシによる給電に切り替える切替手段を備えたことを特徴とする直流モータ。
2. 請求項１に記載の直流モータにおいて、
   前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、各方向の回転時において前記セグメントから離間する側に高抵抗部分が設けられていることを特徴とする直流モータ。
3. 請求項１又は２に記載の直流モータにおいて、
   陽極側と陰極側とで対をなす前記給電ブラシが３組以上配置可能であり、
   前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、対をなす陽極側と陰極側とがそれぞれ隣接して配置されるとともに、正転用と逆転用とが狭角度範囲側で互いに近接する方向にシフトして配置されていることを特徴とする直流モータ。
4. 請求項３に記載の直流モータにおいて、
   前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、１組ずつ用いられていることを特徴とする直流モータ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、
   前記正転用ブラシ及び前記逆転用ブラシは、両者間のブラシシフト量の合計が前記セグメントの１個分に相当する角度範囲内に設定されていることを特徴とする直流モータ。

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