JP2010035397A - 無整流子型直流モーター又はユニバーサルモーター - Google Patents

Abstract

【課題】 スリップリング８とブラシ１６を用いてロータ１のコイル３に電力を供給する、無整流子型直流モーターにおいて，スリップリング８と ブラシ１６の摩耗を減らし、直流モーターの寿命を改善する。
【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。微量のオイル汚れを排除することを可能にしたクリーンオイルを生成する装置を付加したことで、永続的な運転可能な整流子型直流モーター又は、ユニバーサルモーター同等の高効率モーターが生産可能となった。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

発明に属する技術分野

本発明は整流子型直流モーター又はユニバーサルモーターの整流子の代わりに、ローターのコイル端部に接続する、スリップリングを用いた、無整流子型直流モーター又は、 ユニバーサルモータに関する。

整流子型直流モーターは、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ーの中で、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良く使う必要がある、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ーということができ、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。

しかし、整流子型直流モーターは、ローターと共に、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のため、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、それに基ず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、モーターの寿命が短い。
▲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、モーター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、モーターが停止すると、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。

発明が解決しょうとする課題

整流子型直流モーターの、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起き替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ーであり、コイルがステ−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ーは慣性が大きく、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ー等としては、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つ当たり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。

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、電気的ノイズの主要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ーと同じでありすり接触による摩耗は存在するが、絶縁性の油を使用、部分的に油膜が破れて通電する適度の加圧をスリップリングとブラシの作用する条件で運転することで，接触摩耗は軽微になり、長期連続回転が可能となった。
また、すり接触による熱の発生も潤滑材の作用で熱の発生は軽微となった。
従来は接触による発熱などで、摂食面材料の酸化もあったが、不活性ガスと潤滑オイルの効果で、酸化も摩耗も発熱もすべてが、軽微になり火花は完全に消滅できた。これらの相互作用でスリップリングとブラシの摩耗は大きく改善できた。
摩耗がほとんどなくなり、高効率エネルギー変換モーターとして、長期連続運転が、可能となり高トルクモーターが確保できた。

本発明は、スリップリングとブラシを用いて直流モーター又はユニバーサルモーターのローターのコイルに電力を、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、モーターの寿命を改善することを、主たる目的とする。

課題を解決する為の手段

本発明は、ローター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、ローター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ー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ー又はユニバーサルモーターにおいて、前記スリップリング及びブラシがこれらを囲繞（いじょう（又はいにょう））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。

本発明は、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個所ができ、そこを通して電流が継続的に流れる。
潤滑の具体的な方法は任意であり、代表例として、浸漬方式（容器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

また、前記容器内に絶縁性の潤滑オイルの代わりに、不活性ガスを充てんしてもよい。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ーにおいて、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ー（無整流子型ユニバーサルモーター）にも同様に適用することができる。

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ーについて、より具体的に説明する。
図１において、ローター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。ローター１の回転軸４が軸受け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。

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は軸受け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。

各スリップリング８に接触してリング状のブラシ１６がはいちされる。
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が前記指示部材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を接続する取り付け部２１を設けている。

さらに、スリップリング８及びブラシ１６を囲繞（いじょう（又はいにょう）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の底に溜ま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−やオイルクーラーを循環し、再び容器２２内に噴霧される。

図３は、この直流モーターの駆動・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えを行う、電子回路で、それ自体は公知である。駆動・制御装置２９はローターリーエンコーダ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とオフ、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。

なお、整流子型直流モーターは、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とオフ、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ーではローター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、コイルに付加する、電圧等についても、各コイル毎に制御することができる。

本発明の長期連続運転を可能にした要素は、オイルの中に摩耗した微量なベアリング発生源等鉄粉とか、スリップリングより発生する微量の摩耗カスなど微粒子成分を遠心力式、沈澱分離でクリーンオイルの循環を完成させた。汚れの混じったオイルを３９第一ポンプで吸引回収し、遠心力沈澱ローターに投入する。違心力沈殿ローターりより、微量の汚れ成分は４５＆５７に示すように遠心力沈澱ローター内週面に沈殿する、分離されたクリーンオイルは５８に示すように、上澄みとして沈澱ローターの、外部にクリーンオイルが貯留される。このクリーンオイルを第二ポンプ４１で再循環することで、スリップリング機構も、ベアリング軸受けも常時クリーンオイルの潤滑が確保できた事で、自動車同様に長期連続メンテナンスフリー運転が可能になった。整流子型直流モーターもユニバーサルモータも、産業用誘導モーターより、高効率エネルギー変換であることは公知のことであるが、耐用時間に問題があった事を、解決できた。

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ーのロータコイルに電力を供給する無整流子型直流モーターにおいて、スリップリングとブラシの摩耗を減らし，モーターの寿命を長期化することができた，
運動エネルギー変換効率が高い直流モーターの用途を、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ーは、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とオフ 及び転流のタイミングと電圧を任意に制御でき、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にも、上記用途に適している。

本発明に係る無整流子型直流モーターの模式的な平面図である。 そのＩ−Ｉ 矢視断面図（要部のみ）である。 その駆動・制御系の模式図である。

符号の説明

１ ローターコイル
２ ローター鉄心（コア）
３ ローターコイル
３ａ 導線
３ｂ 導線
４ 回転軸
５ 出力軸側ベアリング
６ スリップリング側ベアリング
７ 絶縁体
８ スリップリング
９ ベアリング
１０ ベアリング
１１ 回転支持体
１２ 導線絶縁材チューブ
１３ 中間ベアリング
１４ 導線絶貫通穴
１５ 絶縁体
１６ 外部より電力供給スリップリング（リング状ブラシ）
１７ 外部より電力供給スリップリング支持部材
１８ （電力供給スリップリング抑え）板バネ
１９ ローター部供給電力導線
２０ オイル溜まり
２１ ローター部供給電力導線取り付け端子
２２ スリップリング部密閉容器
２３ オイルシール
２４ オイルシール
２５ ロータリーエンコーダ
２６ （ローター位置検知）スリット円盤
２７ （ローター位置検知用）発光ダイオード
２８ （ローター位置検知）フォトトランジスター
２９ 駆動・制御装置
３０ 直流電源
３１ 清浄オイル供給流路
３２ オイル供給パイプ
３３ オイル流れ方向
３４ オイルシール
３５ ベアリング密封ケース
３６ 清浄オイル供給路
３７ オイル流れ方向
３８ スリップリング室用清浄オイル供給路
３９ 第一オイルポンプ
４０ オイルポンプ排出口
４１ 第二オイルポンプ
４２ 第二オイルポンプ排出口
４３ 第一オイルポンプ排出オイル流れ路
４４ 遠心力沈殿式オイル浄化ローター
４５ 遠心力沈澱式オイル浄化ローター内面沈澱物付着位置
４６ ベアリングケースよりリターンオイル流れ路
４７ リターンオイル流れ方向
４８ 密封ベアリングケース
４９ リターンオイル流れ路
５０ 密封スリップリング室
５１ ローター供給電力導線密封シールゴム
５２ 利用済みオイル吸引流れ路
５３ 利用済みオイル吸引パイプ
５４ 第一オイルポンプ吸引口
５５ 密封ベアリングケースオイル吸引口
５６ 遠心力利用沈殿物廃除後クリーンオイル吸引口
５７ 遠心力式ローター内沈殿物沈着位置
５８ 遠心力式オイル浄化後オーバーフロークリーンオイル
５９ 清浄オイル溜室

Claims (4)

1. ローター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、ローター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ー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ーであり、前記スリップリンク及びブラシがこれらを囲繞（いじょう（又は）いにょう）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ー又はユニバーサルモーター。
2. 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直流モーター又はユニバーサルモーター。
3. 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、基ず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ー又はユニバーサルモーター。
4. 前記潤滑目的絶縁性のオイルを、遠心力沈殿式ローター利用により、オイルの中に混入した、微小、微量、不純物を、除去することで常時クリーンオイルを生成し再利用循環する方法で、スリップリング式給電による長期運転可能にした摩耗防止と、ベアリング部の摩耗防止方法

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