JP2010136566A - ソーラ発電式ブラシ付き直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの電力供給に必要なスリップリング等の構成部材を省略したインナーロータ型のブラシ付き直流モータを提供する。
【解決手段】ソーラ発電式ブラシ付き直流モータ１０は、複数の磁極部１８を内周部に有するステータ１２と、各磁極部１８のコイルに給電するためコミュテータ２２と、ステータ１２内に配置され、外周部に永久磁石が固定されているロータ１４と、ロータ１４の中心を貫通して固定されケース部１６ａに対して回転可能に支持されている回転軸２４と、ロータ１４の回転に伴って先端がコミュテータ２２に摺接するよう回転軸２４に固定されたホルダ２８に保持されるブラシ部材３２と、ホルダ２８に固定された筒状体であって外周面に配置されたソーラパネルで発電した電力をホルダ２８に設けた配線４５，４７を介してブラシ部材３２に給電するソーラ発電部材６０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソーラ発電式ブラシ付き直流モータに係り、特に、ソーラパネルで発電した電力により回転駆動されるインナーロータ（以下、適宜に「ロータ」とだけいう。）型のブラシ付き直流モータに関する。

図３に、ブラシ付き直流モータの一例を示す。このブラシ付き直流モータ（以下、適宜に「モータ」とだけいう。）１００は、外部電源１から電力供給を受けてアウターステータ（以下、適宜に「ステータ」とだけいう。）１２内に形成される回転磁界によって、ステータ１２内に配置される永久磁石付きロータ１４が回転駆動されるものである。ステータ１２およびロータ１４は、モータ１００のケース部１６内に収容されている。ケース部１６は、軸方向の両端が閉じた円筒状筐体として形成されている。

上記ステータ１２は、例えば電磁鋼材からなる略筒状をなしており、その内周面には矢印Ｒで示すステータ１２の径方向の内側へ向かって突出するとともに周方向に均等間隔で配置された磁極部１８を有する。磁極部１８は、矢印Ｓで示すステータ１２の軸方向に沿って延在している。また、磁極部１８の周囲には、例えばエナメル線等の絶縁被覆導線を巻回して構成されるコイル２０が配置されている。径方向に対向する２つの磁極部１８は対をなしており、これら磁極部１８のコイル２０の各端部は、一点鎖線で示すバスバ部材２１によって電気的に接続されている。

上記軸方向Ｓにおけるコイル２０の一方端面には、導電性平板からなるコミュテータ２２が固定されている。コミュテータ２２は、コイル２０に導通しており、外部電源１から供給される直流電力をコイル２０に給電するためのものである。また、コミュテータ２２は、略円弧状をなすとともに上記磁極部１８に対応して複数設けられている。さらに、各コミュテータ２２は、互いに分断されて導通してはいないが、概観すると円環状をなすように配置されている。

ロータ１４は、円柱状をなしており、ステータ１２の各磁極部１８との間に隙間をあけた状態で配置されている。また、ロータ１４の外周面上または外周面近傍の内部には、図示しない永久磁石が固定されている。

ロータ１４は、その中心を軸方向Ｓに沿って貫通する回転軸２４に固定されている。回転軸２４は、ケース部１６に取り付けられた軸受部材２６によって回転可能に片持ち支持されている。回転軸２４の一方端部２４ａは、ケース部１６の外部まで延伸しており、回転対象物となる例えばファンやギヤ等が取り付けられる部分である。

ロータ１４から突出する回転軸２４の他方端部２４ｂには、例えばプラスチック等の絶縁性材料からなる円盤状または円柱状のホルダ２８が固定されている。ホルダ２８のステータ対向面３０には、複数のブラシ部材３２が保持されている。ブラシ部材３２は、ホルダ２８のステータ対向面３０に穿設されたブラシ保持孔３４内に挿入された状態で、ブラシ保持孔３４内に収容される例えばコイルばね等の弾性部材３６によってステータ１２側に付勢されている。これにより、ブラシ部材の３２は、その先端がステータ１２に設けたコミュテータ２２上に圧接されており、ロータ１４および回転軸２４と共にホルダ２８が回転することにより円環状をなす各コミュテータ２２上を摺接するよう構成されている。

ブラシ部材３２は、例えばカーボンや金属等の導電性材料で形成され、直方体状または円柱状をなしている。また、回転軸２４に関して径方向対称位置に配置される２つのブラシ部材３２ａ，３２ｂが対をなし、一方のブラシ部材３２ａが正極側ブラシ部材で、他方のブラシ部材３２ｂが負極側ブラシ部材となる。

ホルダ２８の反ステータ側の端面３１には、正極用給電ブラシ部材３８と負極用給電ブラシ部材４０とが、上記ブラシ部材３２と同様に、弾性部材４２によって付勢された状態で保持されている。給電ブラシ部材３８，４０もまた、例えばカーボンや金属等の導電性材料で形成され、直方体状または円柱状をなしている。ただし、回転軸２４からの径方向Ｒの距離に関し、正極用給電ブラシ部材３８の位置は、負極用給電ブラシ部材４０よりも離れた位置に設定されている。

上記ブラシ部材３２のうち正極側ブラシ部材３２ａと上記正極用給電ブラシ部材３８とが、ホルダ２８内に設けられた配線４４を介して電気的に接続されている。また、上記ブラシ部材３２のうち負極側ブラシ部材３２ｂと上記負極用給電ブラシ部材４０とが、ホルダ２８内に設けられた配線４６を介して電気的に接続されている。

ケース部１６の一部を構成するホルダ対向壁４８には、大径の円環帯状平板からなる例えば金属製の正極用スリップリング５０と、小径の円環帯状平板からなる例えば金属製の負極用スリップリング５２とが、回転軸２４を中心として同心上または２重リング状に固定されている。これにより、ホルダ２８から突出した正極用給電ブラシ部材３８は、大径の正極用スリップリング５０に圧接された状態でホルダ２８の回転と共に摺接し、ホルダ２８から突出した負極用給電ブラシ部材４０は、小径の負極用スリップリング５２に圧接された状態でホルダ２８の回転と共に摺接するようになっている。

上記ケース部１６のホルダ対向壁４８の外面には、上記スリップリング５０，５２にそれぞれ導通する正極端子５４および負極端子５６が設置されており、各端子５４，５６が上記外部電源１の正極および負極にそれぞれ電気接続されている。

続いて、上記構成からなるモータ１００の動作について説明する。外部電源１から正極端子５４および負極端子５６を介してモータ１００に電力供給されると、正極用スリップリング５０、正極用給電ブラシ部材３８、配線４４、正極側ブラシ部材３２ａ、コミュテータ２２、対をなす磁極部１８の一方のコイル２０、バスバ部材２１、対をなす他方の磁極部１８のコイル２０、コミュテータ２２、負極側ブラシ部材３２ｂ、配線４６、負極用給電ブラシ部材４０、および負極用スリップリング５２の順に接続される回路に電流が流れる。これにより、上記対をなす２つの磁極部１８がＮ極とＳ極とに励磁されて、ステータ１２の内側に磁界が形成される。この磁界の作用によってロータ１４の外周部にある永久磁石が引き付けられることで、ロータ１４が回転し始める。

ロータ１４の回転に伴って回転軸２４と共にホルダ２８が回転する。これにより、ホルダ２８に保持されているブラシ部材３２ａ，３２ｂがコミュテータ２２上を摺接しつつ移動し、上記励磁された対の２つの磁極部１８に対してロータ回転方向下流側に隣接して対をなす２つの磁極部１８に対応するコミュテータ２２に接触して給電する状態になる。その結果、上記隣接して対をなす各磁極部１８がＮ極とＳ極とのそれぞれ励磁されることになる。このようにしてステータ１２内に形成される磁界がロータ１４の回転に同期して回転することで、ロータ１４が連続的に回転駆動されることになる。

上記モータ１００では、外部電源１からステータ１２の磁極部１８のコイル２０に給電するためにモータ外部端子５４，５６、スリップリング５０，５２、給電用ブラシ部材３８，４０等の部材が必要であり構成部品点数が多くなると共に、モータ１００が回転駆動されるとき給電用ブラシ部材３８，４０とスリップリング５０，５２とが常に摺接しているために磨耗や損傷の問題も生じる。

ここで、例えば特許文献１には、ソーラ発電ブラシレス直流モータが開示されている。このソーラ発電ブラシレス直流モータは、複数のコイル及び複数の界磁用永久磁石を具備し、ソーラ発電部からコイルに給電してロータを回転させるもので、ソーラ発電部は透光部が設けられた遮蔽板と、複数の分割されたソーラシェルセグメントが設けられたソーラ発電ディスクを有し、このソーラ発電ディスクと上記遮蔽板を相対的に回転させて、順次に上記透光部からの光をソーラシェルセグメントに受光して、ソーラシェルセグメントに直接結線された上記複数のコイルに順次給電し、ロータを回転させるように構成されている。

特開２００５−１８４８９４号公報

上記特許文献１のソーラ発電ブラシレス直流モータでは、ソーラ発電ディスクの総面積のうち受光によって発電する領域が一部（実施の形態では３分の１程度）に限定されるため、ソーラ発電ディスクによる発電効率が良好とはいえず、したがってモータ駆動効率も制限されることになる。

本発明の目的は、ソーラ発電による電力で駆動されるインナーロータ型のブラシ付き直流モータであって、スリップリング等の構成部品を削減するとともに、ソーラ発電面積を比較的大きくすることでモータ駆動電力を効率良く発電できるソーラ発電式ブラシ付き直流モータを提供することにある。

本発明に係るソーラ発電式ブラシ付き直流モータは、径方向内側に向かって突出するとともに周方向に均等間隔で配置され、それぞれコイルが巻回されてなる複数の磁極部を内周部に有する筒状のステータと、前記ステータの軸方向に関して前記各磁極部の軸方向端面にそれぞれ固定され、前記各磁極部のコイルに給電するための略円弧状をなす導電性平板からなるコミュテータと、
前記ステータ内に前記磁極部の径方向内側先端との間に隙間をあけた状態で配置され、外周部に永久磁石が固定されているロータと、前記ロータの中心を貫通して一端部がモータのケース部の外部に延伸し、前記ケース部に対して回転可能に支持されている回転軸と、前記ロータおよび回転軸の回転に伴って先端が前記コミュテータに摺接するよう前記回転軸の他端部に固定されたホルダに保持されるブラシ部材と、前記ホルダに固定された筒状体であって外周面に配置されたソーラパネルで発電した電力を前記ホルダに設けた配線を介して前記ブラシ部材に給電するソーラ発電部材と、を備える。

この本発明に係るソーラ発電式ブラシ付き直流モータにおいて、前記ソーラ発電部材は、前記筒状体の周方向の外周面に加えて、前記筒状体の一端側を塞ぐ軸方向端面の外面にもソーラパネルが配置されていてもよい。

本発明に係るソーラ発電式ブラシ付き直流モータによれば、ブラシ付き直流モータを外部電源からの電力ではなくソーラ発電部によって自発電した電力でモータを駆動することができるので、外部から電力を受け入れるための給電用ブラシ部材、給電用ブラシ部材が摺接するスリップリング、給電用ブラシ部材をスリップリングに対して付勢するばね等の付勢部材、モータ外面に設ける外部端子等の構成部材を省略することができ、構成部品点数を削減できる。

また、上記ソーラ発電部材は外周面にソーラパネルを設置した筒状体として構成されるため、受光して発電するソーラパネル領域を比較的大きくすることができ、効率の良いソーラ発電およびモータ駆動を実現できる。

さらに、筒状体をなすソーラ発電部材について、ソーラパネルを、周方向の外周面に加えて筒状体の一端側を塞ぐ軸方向端面の外面にも配置すれば、ロータの回転軸が鉛直方向に沿うようにモータが設置された場合に、上方からの光を上記軸方向端面に設けたソーラパネルで受光して発電することができ、発電可能面積をより大きくすることができる。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態であるソーラ発電式ブラシ付き直流モータ１０の全体構成を概略的に示す、一部側面を含む断面図である。このモータ１０は、上記モータ１００と類似の構成を備えているため同一の構成要素に同一符号を付して重複することなる説明を省略し、ここでは主として異なる点について説明する。また、モータ１０は、ソーラ発電部材６０が受光することによって発電して電力で駆動されるものであるため、太陽光を受光できる環境、すなわち屋外や例えば園芸用ビニールハウス内等での使用されることができる。

モータ１０のケース部１６ａは、上記ケース部１６とは異なり軸方向両端が閉じた円筒状筐体ではなく、ホルダ２８に対向する端部側だけが開口した一端閉塞円筒形状を有している。ホルダ２８は、ケース部１６ａよりも大径の円盤状または円柱状に形成されている。そして、ホルダ２８の外周部には、円筒体をなすソーラ発電部材６０が固定されており、ホルダ２８と共に回転するようになっている。

ソーラ発電部材６０は、円筒状をなす基体の周方向の外周面の好ましくは全体に、軸方向Ｓに細長い短冊状のソーラパネル（図示せず）が周方向に多数配列された状態で接着等の方法で固定されている。そして、正極側ブラシ部材３２ａがホルダ２８内に設けられた配線４５を介してソーラ発電部材６０の正極端子に接続され、負極側ブラシ部材３２ｂがホルダ２８内に設けられた配線４７を介してソーラ発電部材６０の負極端子に接続されている。

また、ソーラ発電部材６０は、軸方向Ｓに関してモータ１０のほぼ全長にわたってケース部１６ａの外側を覆うように形成されており、ホルダ２８に対向する開口部が円盤状の蓋部材６２によって閉じられている。

なお、ソーラ発電部材６０は、円筒形状のものに限定されず、回転の際にぶれ等の支障を来たさない範囲において如何なる横断面形状、例えば四角筒形状や多角筒形状等の筒状体であってもよい。

上記構成を有するモータ１０は、例えば屋外に配置されることで太陽光がソーラ発電部材６０の外周面上のソーラパネルに照射されることで発電し、その電力によって上記モータ１００と同様の原理でロータ１４が回転駆動される。これにより、回転軸２４の一方端部２４ａに取り付けられる例えばファンやギヤ等の回転対象物（図示せず）が回転作動する。

このように、本実施形態のモータ１０によれば、ブラシ付き直流モータを外部電源からの電力ではなくソーラ発電部材６０によって自発電した電力でモータ１０を駆動することができるので、外部から電力を受け入れるための給電用ブラシ部材、給電用ブラシ部材が摺接するスリップリング、給電用ブラシ部材をスリップリングに対して付勢するばね等の付勢部材、モータ外面に設ける外部端子等の構成部材を省略することができ、構成部品点数を削減できる。

また、上記ソーラ発電部材６０は外周面の好ましくは全体にソーラパネルを設置した筒状体として構成されるため、受光して発電するソーラパネル領域を比較的大きくすることができ、効率の良いソーラ発電およびモータ駆動を実現できる。さらに、モータ１０が回転作動する際にソーラ発電部材６０はホルダ２８と共に回転するが、ソーラ発電部材６０の外周面のほぼ全域にソーラパネルが敷設されているため、回転によってソーラ発電部材６０の発電効率が低下することがない。

なお、本発明の一実施形態であるソーラ発電式ブラシ付き直流モータは、上述した構成のものに限定されず、種々の変形や改良が可能である。

例えば、図２に示すモータ１１のように、筒状体をなすソーラ発電部材６０ａについて、ソーラパネルを、周方向の外周面６４だけでなく、筒状体の一端側を塞ぐ軸方向端面６６の外面にも配置してもよい。このようにすれば、ロータ１４の回転軸２４が鉛直方向に沿うようにモータ１１が設置された場合に、上方からの太陽光を上記軸方向端面６６に設けたソーラパネルでも受光して発電することができ、発電可能面積をより大きくすることができる。

また、本発明に係るソーラ発電式ブラシ付き直流モータは、太陽光を受けて発電および駆動される場合に限らず、例えば屋内において外部電源からの給電用配線が困難な場所に配置されたときなどに、ソーラ発電部材が照明の光を受けて発電してモータが駆動されてもよい。

本発明の一実施形態であるソーラ発電式ブラシ付き直流モータの全体構成を概略的に示す、一部側面を含む断面図である。 図１のモータの変形例を示す図である。 ブラシ付き直流モータの一例を示す、一部側面を含む断面図である。

符号の説明

１０、１１ ソーラ発電式ブラシ付き直流モータ、１２ ステータ、１４ ロータ、１６ａ ケース部、１８ 磁極部、２０ コイル、２１ バスバ部材、２２ コミュテータ、２４ 回転軸、２６ 軸受部材、２８ ホルダ、３２，３２ａ，３２ｂ ブラシ部材、３６，４２ 弾性部材、３８ 正極用給電ブラシ部材、４０ 負極用給電ブラシ部材、４５，４７ 配線、５０ 正極用スリップリング、５２ 負極用スリップリング、５４ 正極端子、５６ 負極端子、６０，６０ａ ソーラ発電部材、６２ 蓋部材、６６ 軸方向端面。

Claims (2)

1. 径方向内側に向かって突出するとともに周方向に均等間隔で配置され、それぞれコイルが巻回されてなる複数の磁極部を内周部に有する筒状のステータと、
   前記ステータの軸方向に関して前記各磁極部の軸方向端面にそれぞれ固定され、前記各磁極部のコイルに給電するための略円弧状をなす導電性平板からなるコミュテータと、
   前記ステータ内に前記磁極部の径方向内側先端との間に隙間をあけた状態で配置され、外周部に永久磁石が固定されているロータと、
   前記ロータの中心を貫通して一端部がモータのケース部の外部に延伸し、前記ケース部に対して回転可能に支持されている回転軸と、
   前記ロータおよび回転軸の回転に伴って先端が前記コミュテータに摺接するよう前記回転軸の他端部に固定されたホルダに保持されるブラシ部材と、
   前記ホルダに固定された筒状体であって外周面に配置されたソーラパネルで発電した電力を前記ホルダに設けた配線を介して前記ブラシ部材に給電するソーラ発電部材と、
   を備えるソーラ発電式ブラシ付き直流モータ。
2. 請求項１に記載のソーラ発電式ブラシ付き直流モータにおいて、
   前記ソーラ発電部材は、前記筒状体の周方向の外周面に加えて、前記筒状体の一端側を塞ぐ軸方向端面の外面にもソーラパネルが配置されていることを特徴とするソーラ発電式ブラシ付き直流モータ。

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