JP2009529854A

JP2009529854A - 電気機械

Info

Publication number: JP2009529854A
Application number: JP2008558737A
Authority: JP
Inventors: ヴァイゴルトトーマス; シュナイダークリスティアン; ザウムアンドレアス
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2009-08-20
Also published as: US20090009023A1; KR101165281B1; KR20110128928A; DE102006011547A1; EP1997215B1; KR101133461B1; EP1997215A1; KR20080105081A; US7919899B2; WO2007104591A1

Abstract

本発明は、電気機械であって、ロータコイルを受容するための複数のロータ溝（２５）を備えたロータ（２０）を有しており、少なくとも１つの前記ロータコイルが、ロータ（２０）のロータ軸（２２）の中心点（２３）を通って延びる左右対称軸線（５５）を基準にして左右対称に配置された２つの部分コイル（５１，５２）より形成されており、前記２つの部分コイル（５１，５２）が、整流子（３０）の隣合った２つの整流子セグメント（３２）に接続されており、前記整流子（３０）に滑動可能に当接する第１のブラシ（４１）と第２のブラシ（４２）と第３のブラシ（４３）とが設けられており、前記第２のブラシ（４２）が第１のブラシ（４１）又は第３のブラシ（４３）と協働する形式のものに関する。本発明は、２つの隣合った整流子セグメント（３０）が接触すると、前記第３のブラシ（４３）がロータ軸（２２）の中心点（２３）と共に、２つの部分コイル（５１，５２）の前記左右対称軸線（５５）に対して９０°−（１８０°／セグメント数）−（１８０°／３セグメント数）〜９０°＋（１８０°／セグメント数）＋（１８０°／３セグメント数）の角度を有する１つの軸線（４５）を形成するように、前記第３のブラシ（４３）が前記２つの部分コイル（５１，５２）に対して相対的に配置されていることを特徴としている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載した電気機械、特に直流発電機に関する。

国際公開第２００５／０７６４４２号パンフレットによれば、左右対称に配置されたロータ巻線を備えた電動機が公知である。左右対称に配置されたロータ巻線は、第１のコイルより成っていて、この第１のコイルは、２つの任意のロータ溝間に巻き付けられていて、隣り合う整流子セグメントに電気的に接触している。第２のコイルは、２つのロータ溝間に巻き付けられていて、第１のコイルの２つのロータ溝に対して、ロータ軸の中心点を基準にして点対称に位置していて、逆方向で巻かれている。この電動機においては、ロータ溝の数は整流子セグメントの数と同じである。電動機は、高速用及び低速用にそれぞれ１つのブラシ、並びに１つの共通のブラシを有している。第１及び第２のコイルは、高速用のブラシが隣り合った整流子セグメントと接触し、それによって第１のコイルが第２のコイルと短絡されると、高速用のブラシの中心点及び回転軸の中心点を通る軸線を基準にして左右対称位置に位置するように、配置されている。

前記国際公開第２００５／０７６４４２号パンフレットに従って、互いに左右対称に配置された第１及び第２のコイルを基準にして配置すると、各コイルのそれぞれ１つのスイッチ導体（Schaltleiter）がロータ溝から直接整流子にガイドされることになる、という欠点がある。この場合、スイッチ導体とは、コイルから整流子にガイドされる、コイルワイヤの区分のことである。このことはつまり、スイッチ導体がコイルと整流子フックとの間でほぼ自由に張設されている、ということである。張設されたスイッチ導体は、残りのコイルの後続のスイッチ導体のためのスペースを塞ぐことになる。これによって、巻線オーバーハング（Wickelkopf）の構造が大きくなり、場合によっては、張設されたスイッチ導体の整流子フックにおいて振動負荷を受けて断線、及びひいては電界の欠損が生じる。

発明の開示
本発明による電気機械は、ロータコイルを受容するための複数のロータ溝を備えたロータを有している。少なくとも１つのロータコイルは、ロータのロータ軸の中心点を通って延びる左右対称軸線を基準にして左右対称に配置された２つの部分コイルより形成されており、前記２つの部分コイルが、整流子の隣合った２つの整流子セグメントに接続されている。このことはつまり、ロータコイルは、それぞれ２つの部分コイルが、ロータの回転軸線の中心点を通って延びる左右対称軸線を基準にして互いに左右対称に配置されるように、構成されている、ということである。互いに左右対称に配置された２つの部分コイルは、整流子の隣り合った整流子セグメントに接続されている。この電気機械はさらに、前記整流子に滑動可能に当接する第１のブラシと第２のブラシと第３のブラシとを有しており、前記第２のブラシが第１のブラシ又は第３のブラシと協働するようになっている。本発明によれば、２つの隣合った整流子セグメントが接触する際に、前記第３のブラシがロータ軸の中心点と共に、２つの部分コイルの前記左右対称軸線に対して、
９０°−（１８０°／セグメント数）−（１８０°／３セグメント数）
乃至
９０°＋（１８０°／セグメント数）＋（１８０°／３セグメント数）
の角度を有する１つの軸線を形成するように、前記第３のブラシが前記２つの部分コイルに対して相対的に配置されている。

セグメントの数は例えば１２個であり、それによって角度は、９０°−１５°−５°〜９０°＋１５°＋５°の範囲内であって、有利には、９０°−１５°−４°〜９０°＋１５°＋４°の範囲内、特に有利には、９０°−１５°−２°〜９０°＋１５°＋２°の範囲内である。角度は例えば９０°＋１５°＋／−４°である。

本発明によれば、第３のブラシ及び回転軸線の中心点を通る軸線は、第３のブラシが２つの隣接し合う整流子セグメントが接触し、それによって２つの部分コイルが短絡すると、２つの部分コイルの左右対称軸線に対してほぼ垂直、つまり９０°を成す。

直列接続された２つの左右対称の部分コイルの２つのスイッチ導体、若しくは並列接続された２つの部分コイルの４つのスイッチ導体は、ロータ溝から突き出した後で、それぞれの整流子フックに接続される前に、ロータ軸を中心にして約１８０°だけガイドされる。これによって、スイッチ導体は自由に張設されるのではなく、その全長が、前もって巻かれたコイルのスイッチ導体上に位置するか、又はロータ軸上に位置する。このような、ロータと整流子との間の巻線オーバーハングの領域内でコイル端部によってロータ軸を部分的に巻き付けることは、引っ掛け巻き（Umhakenwicklung）とも称呼される。

本発明による電気機械は、ロータと整流子との間の巻線オーバーハングが、従来技術のものと比較してより頑丈で、コンパクトに構成されている、という利点を有している。引っ掛け巻きによって、特にスイッチ導体の振動が振動負荷にさらされることは避けられ、それによってスイッチ導体における断線は避けられる。これによって、全体的に頑丈な巻線オーバーハング構造及び磁界の危険性は減少される。

第３のブラシが２つの隣接し合う整流子セグメントと接触した時に、第３のブラシと回転軸線の中心点とを通る軸線と２つの部分コイルの左右対称軸線との間に、ほぼ垂直に配置するのに対して、整流子は、ロータに対して有利な形式で付加的に、＋／−（１８０°／セグメント数＋１８０°／３セグメント数）の範囲内の角度だけ回転せしめられる。これによって、電気機械の回転数を僅かに高めるか若しくは低下させることができ、これによって回転数の微調整が得られる。

ロータ巻線を設計する際には、まず低い回転数段階の回転数要求に基づいて、導体の数、つまりロータ溝毎の巻き巻線の数、及びコイルワイヤの太さが規定される。低い回転数段階の回転数及びいわゆる回転数の突発的な変化に対する、高い回転数段階の回転数は、第１のブラシに対する第３のブラシの角度位置によって規定され、これによって、不変の低い回転数段階においてより高い回転数段階が、所望の値に大まかに調節される。この角度位置は、一般的に１つの工具で規定されており、従って、一般的に電気機械の全体的な列構造のために決まっており、工具を変えることによってしか変更することはできない。

回転数の突発的な変化の微調整は、付加的に整流子を−（１８０°／３セグメント数）〜＋（１８０°／３セグメント数）の角度だけ回転させることによって得られる。整流子を約１°回転させることによって、例えば１分毎に約１回転だけ高い回転数段階に変化する。

本発明による電気機械は３つのブラシを有している。第１及び第２のブラシは、互いにほぼ直径方向で向き合って配置されている。第３のブラシは、互いに向き合って位置するブラシ間で半径方向に配置されているので、第３のブラシは、回転方向で第１のブラシに対して１８０゜よりも小さい所定の角度例えば７０゜だけずらして配置されている。この場合、低い回転数段階において、互いに向き合って位置する２つのブラシ、つまり第１及び第２のブラシに給電され、これに対して第３のブラシには給電されない。高い回転数段階において、第２及び第３のブラシに給電され、これに対して第１のブラシには給電されない。次いで、第２のブラシは、低い回転数において第１のブラシと協働し、より高い回転数において第３のブラシと協働する共通のブラシを形成する。その都度、給電されないブラシは、互いに隣接し合うそれぞれ２つの整流子セグメントを接続する。それによって、これら２つの整流子セグメントは、従来の巻線において巻線間に存在するコイルを短絡し、この場合、供給電流とは逆に向けられた、ロータに作用する半径方向力を生ぜしめる短絡電流を形成する。この半径方向力は、本発明による電気機械では避けられる。何故ならば、１つのコイルの代わりに、互いに左右対称に配置された２つの部分コイルが、隣合った整流子セグメントに当接するからである。隣合った２つの整流子セグメントが、それぞれ無電流のブラシによって接続されると、２つの部分コイルにフラッシュ電流（Kurz-schlussstrom）が生じるので、２つの部分コイルの半径方向力が補償される。

２つの部分コイルは、本発明に従って、部分コイルに給電されると磁界内においてロータに半径方向力が作用することがないように、互いに左右対称に配置されている。その結果得られた半径方向力は、２つの部分コイルが互いに幾何学的にほぼ平行に、かつロータの回転軸線に対して同じ間隔を保って配置されていることによって、特に良好に補償される。さらに、２つの部分コイルが同じ巻き数を有していることによって、半径方向力は特に良好に補償される。半径方向力は、２つの部分コイルが互いに逆向きに巻かれていることによって、特に良好に補償することができる。これは特に、２極式の電気巻線である。

２つの部分コイルは、互いに電気的に直接に、又は並列に接続されていてよい。直列接続においては、２つの部分コイルは２つの端部を有しており、これら２つの端部は、隣接する整流子セグメントに接続されている。これに対して、並列接続においては、２つの部分コイルのそれぞれが２つの端部を有しており、この場合、１つの部分コイルのそれぞれ両端部は、隣接する整流子セグメントに接続されている。

有利な実施例では、整流子は偶数のセグメントを有している。また、有利な形式でセグメントの数は、ロータ溝の数と同じである。

別の有利な実施例では、左右対称に配置された部分コイルが、減少された、例えば半分のコイルワイヤ横断面を有する２重巻線として２重に構成されている。

本発明による電気機械は、特にワイパモータとして自動車に使用される。

以下に本発明を図示の実施例を用いて詳しく説明する。

図１は、本発明による電気機械の１実施例の概略的な横断面図、
図２は、本発明による電気機械の巻きパターンの１実施例を示す。

図１には、本発明による電気機械１００の概略的な横断面図が示されている。ステータは２つの極１０によって形成されている。極１０内で、ロータ２０は、回転軸線２３を有するロータ軸２２に相対回転不能に（つまり一緒に回転するように）支承されている。ロータ２０は、１２個のロータ歯２４と、これらのロータ歯２４間に１２のロータ溝２５とを備えている。整流子セグメント３２を備えた整流子３０がロータ軸２２に相対回動不能に固定されている（図２）。さらに、３つのブラシ４１，４２，４３が設けられており、これらのブラシのうちの第１のブラシ４１と第２のブラシ４２とが、互いに直径方向で向き合って配置されており、第３のブラシ４３は、回転方向で、第１のブラシ４１に対して、例えば１８０°よりも小さい所定の角度だけずらして配置されている。第２のブラシは、共通のブラシ又はアースブラシとして使用されており、低い回転数において第１のブラシ４１と協働し、高い回転数において第３のブラシ４３と協働するようになっている。

図１及び図２に示した実施理恵では、整流子３０は１２個の整流子セグメント３２を有していて、ロータ２０は１２個のロータ歯２４若しくはロータ溝２５を有している。

ロータコイルはそれぞれ２つの部分コイル５１，５２によって形成されており、これら２つの部分コイル５１，５２は、ロータ２０のロータ軸２２の回転軸線若しくは中心点２３を通る左右対称軸線５５を基準にして互いに左右対称に配置されている。部分コイル５１，５２は、幾何学的に互いにほぼ平行に、かつロータ２０のロータ軸２２に対して同じ間隔を保って配置されている。

図２に示されているように、２つの部分コイル５１，５２は、整流子３０の隣接し合う２つの整流子セグメント３２に結合されている。第３のブラシ４３が、隣接し合う２つの整流子セグメント３２（図２ではセグメント３及びセグメント４）に接触すると、２つの部分コイル５１，５２は短絡される。隣接し合う２つの整流子セグメント３２が接触し合うと、第３のブラシ４３がロータ軸２２の中心点２３と共に、２つの部分コイル５１，５２の左右対称軸線５５に対して垂直な１つの軸４５を形成する。

図２に示した概巻きパターンは、２つの部分コイル５１，５２より成るロータコイルの第１実施例の部分的な展開図が示されている。ロータコイルは、重ね巻きの形式に従って弦巻き（Sehnenwickelng）の形で巻かれている。第１の部分コイル５１の巻線は、符号３で示されたロータ溝２５内及び符号８で示されたロータ溝２５内に位置している。第２の部分コイル２５の巻線は、符号２で示されたロータ溝２５内及び符号９で示されたロータ溝２５内にある。第１及び第２の部分コイル５１，５２の両端部は、隣合った（図面では第３及び第４の）整流子セグメント３２に電気的に接続されている。従って、２つの部分コイル５１，５２は、直列に接続されている。第３及び第４のロータ溝２５、並びに第２及び第９のロータ溝２５は、互いに向き合っているので、２つの部分コイル５１，５２じゃ、ロータ軸２２の中心点２３を通る軸線を基準にして、互いに左右対称に配置されている。２つの部分コイル５１，５２は、互いにほぼ平行に配置されているので、部分コイル５１，５２に対して平行に配置されたシステム軸線５５を基準にして、左右対称に配置されている。２つの部分コイル５１，５２は、逆巻き方向で巻かれている。

図２は、２つの部分コイル５１，５２の直列接続の実施例を示す。左右対称に配置された２つの部分コイル５１，５２の巻き原理に従って、別の巻きパターンが得られる。

本発明による電気機械の１実施例の概略的な横断面図である。本発明による電気機械の巻きパターンの１実施例を示す図である。

符号の説明

１０極、２０ロータ、２２ロータ軸、２３中心点２４ロータ歯、２５ロータ溝、３０整流子、３２整流子セグメント、４１，４２，４３ブラシ、５１，５２部分コイル、５５左右対称軸線、１００電気機械

Claims

電気機械であって、ロータコイルを受容するための複数のロータ溝（２５）を備えたロータ（２０）を有しており、少なくとも１つの前記ロータコイルが、ロータ（２０）のロータ軸（２２）の中心点（２３）を通って延びる左右対称軸線（５５）を基準にして左右対称に配置された２つの部分コイル（５１，５２）より形成されており、前記２つの部分コイル（５１，５２）が、整流子（３０）の隣合った２つの整流子セグメント（３２）に接続されており、前記整流子（３０）に滑動可能に当接する第１のブラシ（４１）と第２のブラシ（４２）と第３のブラシ（４３）とが設けられており、前記第２のブラシ（４２）が第１のブラシ（４１）又は第３のブラシ（４３）と協働する形式のものにおいて、
２つの隣合った整流子セグメント（３０）が接触する際に、前記第３のブラシ（４３）がロータ軸（２２）の中心点（２３）と共に、２つの部分コイル（５１，５２）の前記左右対称軸線（５５）に対して、
９０°−（１８０°／セグメント数）−（１８０°／３セグメント数）
乃至
９０°＋（１８０°／セグメント数）＋（１８０°／３セグメント数）
の角度を有する１つの軸線（４５）を形成するように、前記第３のブラシ（４３）が前記２つの部分コイル（５１，５２）に対して相対的に配置されていることを特徴とする、電気機械。
２つの部分コイル（５１，５２）が幾何学的に互いにほぼ平行に配置されている、請求項１記載の電気機械。
２つの部分コイル（５１，５２）が同じ巻き数を有している、請求項１又は２記載の電気機械。
２つの部分コイル（５１，５２）が互いに逆の巻き方向で巻かれている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機械。
２つの部分コイル（５５１，５２）が電気的に直列に接続されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気機械。
直列接続された２つの部分コイル（５１，５２）が２つの端部を有しており、これら２つの端部が、隣り合った整流子セグメント（３２）に接続されている、請求項５記載の電気機械。