JP2010166746A

JP2010166746A - 回転電機の巻線構造

Info

Publication number: JP2010166746A
Application number: JP2009008350A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Ishizeki; 隆行石関; Yasuhiro Takebe; 康弘竹部; Michinori Kojima; 理規小島
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】低電圧大電流に適しかつ回転速度を高め得る回転電機の巻線構造を実現する。
【解決手段】極数をＡとし、スロット数をＢとすると、スロット間に巻線する巻線ピッチＰが、Ｐ＝（Ｂ−２）／（Ａ／２）となるようにする。正極ブラシ５ａと負極ブラシ５ｃとの間には各５個ずつの各抵抗成分（Ｒ１〜Ｒ５、Ｒ６〜Ｒ１０）による並列回路が形成され、正極ブラシ５ｂと負極ブラシ５ｄとの間にも各５個ずつの各抵抗成分（Ｒ１１〜Ｒ１５、Ｒ１６〜Ｒ２０）による並列回路が形成される。正極ブラシから出て負極ブラシに至るまでに巻線ピッチが１０からなるものを５個直列にしたものを並列に設けることができ、全体の並列回路数を倍にすることができる。並列回路数が倍になることにより、抵抗が減少し、波巻線でありながら重ね巻線と同様な電気回路を形成でき、大電流化を達成し得る。
【選択図】図３

Description

本発明は、４ブラシの回転電機の巻線構造に関するものである。

従来、回転電機の巻線構造として例えばモータの巻線構造において、重ね巻線（並列巻線）と波巻線（直列巻線）とが知られている。そして、対象となる負荷に対して好適な特性になるように２種類の巻線が使い分けられていた（例えば特許文献１参照）。

特開平４−１４００４９号公報

上記２種類の巻線構造のそれぞれには長短があり、並列回路数が多くなる重ね巻線は、高い回転数で作動するモータには適するが、高いトルクを出力するモータには適さない。反対に、並列回路数が少なくなる波巻線は、高いトルクを出力するモータには適するが、高い回転数で作動するモータには適さない。

しかしながら、重ね巻線の場合には、マグネットの極数分だけブラシの数が必要となり、例えば４極であれば４ブラシとなり、６極であれば６ブラシとなる。そのため、重ね巻線の場合には、多極になればなる程、ブラシのレイアウトは煩雑化し、製造コストは高騰化する。また、波巻線の場合には、巻線の内部抵抗が大きくなる。さらに、巻線が少ない波巻線（巻き数が１など）では、巻き数を減らすことができないため、モータの回転速度は上がらないという問題があった。

このような課題を解決して、低電圧大電流で作動する回転電機に適し、かつ回転速度を高め得る回転電機の巻線構造を実現するために、本発明に於いては、Ａ個の極に着磁されたマグネットと、Ｂ個のティースと前記ティースの間に形成されたＢ個のスロット部とを有するモータコアと、前記モータコアのティースの数と同数のＢ個のセグメントを備えたコンミテータと、前記モータコアのティースに波巻きされたＢ個のコイルを有する巻線と、前記コンミテータのセグメントに摺接するブラシとを備えた回転電機の巻線構造において、ＡおよびＢは、各々、正の整数であって、前記ブラシは、２個の正極ブラシと、２個の負極ブラシとを備え、前記巻線のコイルは、前記コンミテータの予め定められた第１のセグメントに接続され、予め定められたＮ個のティースを跨いで前記モータコアに巻かれ、前記第１のセグメントからＰピッチだけ離れた位置にある第２のセグメントに接続されており、前記巻線の巻線ピッチＰが、Ｐ＝（Ｂ−２）／（Ａ／２）であるものとした。なお、（Ａ／２）は極数の半分であり極対数と呼ぶ。

特に、巻線のコイルが巻かれたティースの個数Ｎは、Ｎ≒（Ｂ／Ａ）であって、巻線のコイルは、コンミテータの予め定められた第１のセグメントに接続され、第１のセグメントから、（Ｐ−Ｎ）／２ピッチだけ離れた位置にあるスロット部を通過し、Ｎ個のティースを跨いで、第１のセグメントから（Ｐ＋Ｎ）／２ピッチだけ離れた位置にあるスロット部を通過し、第１のセグメントからＰピッチだけ離れた位置にある第２のセグメントに接続されていると良い。

このように本発明によれば、４ブラシの回転電機においてティースを跨いで巻線される巻線ピッチが（スロット数−２）／極対数となる巻線構造としたことから、通常の波巻線での巻線ピッチが（スロット数±１）／極対数で設定されるのに対して、巻線ピッチを減らすことができる。通常の波巻線では、例えば６極３２スロットの場合の巻線ピッチは１１となることから、正極ブラシから出て負極ブラシに至るまでに巻線ピッチが１１のものが直列に１０個必要となるのに対して、本発明によれば巻線ピッチは１０となる。これにより、正極ブラシから出て負極ブラシに至るまでに巻線ピッチが１０のものを５個にすることができ、上記と同様のターン数に当てはめると巻線ピッチが１０からなるものを５個直列にしたものを並列に設けることができ、かつ全体の並列回路数を倍にすることができる。並列回路数が倍になることにより、抵抗が減少し、波巻線でありながら重ね巻線と同様な電気回路を形成でき、大電流化を達成し得る。

特に、巻線のコイルが巻かれたティースの個数は、５（≒（３２／６））個であって、巻線のコイルは、コンミテータの予め定められた第１のセグメントに接続され、第１のセグメントから、２．５（＝（１０−５）／２）ピッチだけ離れた位置にあるスロット部を通過し、５個のティースを跨いで、第１のセグメントから７．５（＝（１０＋５）／２）ピッチだけ離れた位置にあるスロット部を通過し、第１のセグメントから１０ピッチだけ離れた位置にある第２のセグメントに接続されていると良い。上記巻線ピッチが１０の場合には２．５ピッチ、５ピッチ、２．５ピッチとすると良い。ここで２．５ピッチとは１スロットの中間位置にコンミテータのセグメントが位置していることで、ライザに巻き掛けられて引き出されるコイル素線が０．５ピッチずれてスロットに巻線される場合である。すなわち、２．５ピッチずれたスロットに入り、反対側のコイルエンドで５ピッチずれたスロットに入り、コンミテータ側で再び２．５ピッチずれて対応するライザに巻き掛けられる。すなわち、中間の５ピッチに対して、両側を２．５ピッチずつとすることによりバランスの良い巻線構造となる。

また、６極３２スロットであると良く、従来の波巻線の場合には６極に対して６ブラシ必要であったのに対して、６極４ブラシの構成とすることができ、これにより６極かつ波巻線とした場合のブラシ構造の繁雑さを解消でき、コンパクトな回転電機を提供し得る。

本発明が適用されたロータを示す正面図である。（ａ）〜（ｄ）は本発明に基づく巻線ピッチによる巻き線要領を示す説明図である。電気回路が並列に形成された状態を示す回路図である。（ａ）〜（ｄ）は従来の波巻線における巻き線要領を示す説明図である。従来の電気回路が並列に形成された状態を示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１は本発明が適用された回転電機としてのスタータモータ１のロータ部分を示す模式的正面図であり、本図示例のスタータモータ１は、６極３２スロット４ブラシである。

回転軸２には円筒状のコンミテータ３とコア４とが同軸に固定されている。コア４は、公知の電磁鋼板を積層して形成されており、周方向に等間隔で配設された複数のＴ字状ティース４ａを有する。各ティース４ａの隣り合うもの同士の間がスロット４ｂになり、各スロット４ｂ間にコイル素線が通される。コンミテータ３には３２個のセグメント３ａが設けられており、各セグメント３ａにはコイル素線が巻き掛けられるライザ（図示せず）が設けられている。そして、セグメント３ａに対してスロット４ｂはピッチの半分（０．５）だけ偏倚している。この偏倚量は、図示例の０．５ピッチに限られるものではなく、任意の値であって良い。

各セグメント３ａに摺接する４つのブラシ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、コンミテータ３の周方向に所定の間隔で配設されている。図において、ブラシ５ａ、５ｂが正極として設けられ、ブラシ５ｃ、５ｄが負極として設けられ、ブラシ５ａとブラシ５ｃ、及びブラシ５ｂとブラシ５ｄが１８０度の対称位置に配設されている。また、正極ブラシ５ａ、５ｂと負極ブラシ５ｃ、５ｄとは約６０°ずれている。

次に、図２を参照して各スロット４ｂへの巻線の要領について説明する。なお、図２において、符号ｃｎ（ｎは数字）はセグメント３ａの並び順にｃ１〜ｃ３２まで便宜上付けたものである。図では、正極ブラシ５ａがセグメントｃ１に接触し始め、負極ブラシ５ｃがセグメントｃ１７に接触し始めた状態であり、その正極ブラシ５ａはセグメントｃ３１、ｃ３２にも接触し、負極ブラシ５ｃは、セグメントｃ１５、ｃ１６に接触している。なお、各スロット４ｂへの巻線は図の右方向かつ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）の順に進むものとし、図では任意の２本のコイル素線６ａ、６ｂについてのみ図示し、他のコイル素線については省略している。

この巻線構造において、マグネットの極数をＡとし、コア４のティース数、すなわちスロット数をＢとすると、コンミテータ３のセグメント３ａの任意の１つから別の１つに至るまで各ティース４ａを跨いで巻線する巻線ピッチＰが、
Ｐ＝（Ｂ−２）／（Ａ／２）…（１）
となるようにする。図示例の６極３２スロットの場合には、上記式（１）に代入すると、巻線ピッチＰが１０となる。

図２において、セグメントｃ３１から出たコイル素線６ａは、スロット４ｂに通線されるが、隣り合うスロット４ｂの距離を１ピッチとすると、２．５ピッチ進んだ位置のスロット４ｂに入ってコンミテータ３とは反対側のコイルエンド側に出て、そこから５ピッチ進んだ位置のスロット４ｂに入ってコンミテータ３側に戻り、そこから再び２．５ピッチ進んだ位置のセグメントｃ９のライザに結合される。このように、コンミテータ３から出てコンミテータ３に戻ってくる１ターンの巻線において、ティース４ａへの巻線ピッチが２．５ピッチ、５ピッチ、２．５ピッチの計１０ピッチとなる。以下、同様に巻線されてセグメントｃ１７に至る（図２（ｂ））。セグメントｃ１７には負極ブラシ５ｃが接触しており、この間の巻線は、巻線Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４，Ｒ５の５個となる。

また、図２（ｃ）、（ｄ）に示されるように、セグメントｃ１から図の左方向へ出たコイル素線６ｂは、同様に２．５ピッチ、５ピッチ、２．５ピッチの巻線ピッチで巻線され、同じく５個の巻線を形成した後にセグメントｃ１５に至る（図２（ｃ））。セグメントＣ１５には負極ブラシ５ｃが接触している。

このように巻線されることにより、図３に示されるように正極ブラシ５ａと負極ブラシ５ｃとの間には各５個の巻線ずつの巻線からなる抵抗成分（Ｒ１〜Ｒ５、Ｒ６〜Ｒ１０）による並列回路が形成される。同様に、正極ブラシ５ｂと負極ブラシ５ｄとの間にも各５個の巻線の各抵抗成分（Ｒ１１〜Ｒ１５、Ｒ１６〜Ｒ２０）による並列回路が形成される。したがって、正極ブラシ５ａ、５ｂと負極ブラシ５ｃ、５ｄとの間に２組の並列回路が形成されるため、ブラシ間の抵抗が低減される。

これに対して従来の波巻線を図４を参照して説明する。公知の波巻線では、スロット数より１多いか１少ない値を極対数で除算した値を巻線ピッチとして巻線する。６極３２スロット４ブラシの場合には巻線ピッチは１１となり、３ピッチ、５ピッチ、３ピッチで巻線することになる。なお、上記した図２と同様の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

図４（ａ）において、セグメントｃ１から出たコイル素線６ｃは３ピッチ進んだスロット４ｂに入って、コンミテータ３とは反対側のコイルエンド側に出て、さらに５ピッチ進んだスロット４ｂに通線されてからコンミテータ３側に戻り、再び３ピッチ進んで対応するセグメントｃ１２のライザに結合される。そして、図４（ｂ）、（ｃ）に示されるように３ピッチ、５ピッチ、３ピッチで巻線を繰り返すことにより、１０個の巻線を形成し、負極ブラシ５ｃが摺接しているセグメントｃ１５に至る（図４（ｄ））。また、セグメントｃ２０から出たコイル素線６ｄは同じく３ピッチ、５ピッチ、３ピッチの巻線ピッチで巻線され、同じく１０個の巻線を形成し、負極ブラシ５ｄに至る（図示省略）。

このように巻線されることにより、図５に示されるように正極ブラシ５ａ、５ｂと負極ブラシ５ｃ、５ｄとの間には各１０個ずつの巻線の各抵抗成分（Ｒ１〜Ｒ１０、Ｒ１１〜Ｒ２０）による並列回路が形成される。

一方前記したように、本発明では、従来の波巻線に対して倍の並列回路が形成されるため、波巻線でありながら、重ね巻線と同様な電気回路を形成することができる。これにより、両巻線の欠点を補い合うことができ、ブラシ数が少なく（６極の場合に４ブラシ）、かつ巻き数が同等（１ターン）のまま内部抵抗を減らすことができ、回転速度を高めることができる。

なお、上記図示例では６極３２スロット４ブラシについて示したが、この組み合わせに限られるものではなく、上記式（１）を満足する関係であれば他の組み合わせであっても良い。

１スタータモータ
３コンミテータ、３ａセグメント
４コア、４ｂスロット
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄブラシ
６ａ、６ｂコイル素線

Claims

Ａ個の極に着磁されたマグネットと、Ｂ個のティースと前記ティースの間に形成されたＢ個のスロット部とを有するモータコアと、前記モータコアのティースの数と同数のＢ個のセグメントを備えたコンミテータと、前記モータコアのティースに波巻きされたＢ個のコイルを有する巻線と、前記コンミテータのセグメントに摺接するブラシとを備えた回転電機の巻線構造において、ＡおよびＢは、各々、正の整数であって、前記ブラシは、２個の正極ブラシと、２個の負極ブラシとを備え、前記巻線のコイルは、前記コンミテータの予め定められた第１のセグメントに接続され、予め定められたＮ個のティースを跨いで前記モータコアに巻かれ、前記第１のセグメントからＰピッチだけ離れた位置にある第２のセグメントに接続されており、前記巻線の巻線ピッチＰが、Ｐ＝（Ｂ−２）／（Ａ／２）であることを特徴とする回転電機の巻線構造。
請求項１に記載された回転電機の巻線構造において、前記巻線のコイルが巻かれたティースの個数Ｎは、Ｎ≒（Ｂ／Ａ）であることを特徴とする回転電機の巻線構造。
請求項２に記載された回転電機の巻線構造において、前記巻線のコイルは、前記コンミテータの予め定められた前記第１のセグメントに接続され、前記第１のセグメントから、（Ｐ−Ｎ）／２ピッチだけ離れた位置にある前記スロット部を通過し、Ｎ個のティースを跨いで、前記第１のセグメントから（Ｐ＋Ｎ）／２ピッチだけ離れた位置にある前記スロット部を通過し、前記第１のセグメントからＰピッチだけ離れた位置にある前記第２のセグメントに接続されていることを特徴とする回転電機の巻線構造。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された回転電機において、前記マグネットの極数は、６であり、前記スロット数Ｂが、３２であることを特徴とする回転電機の巻線構造。