JP2010213491A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】効率よく小型化を図ることができると共に、材料コストを低減可能な直流モータを提供する。
【解決手段】６極９スロット９セグメントで構成された直流モータにおいて、各ティース１２に、それぞれ巻線１４が集中巻きで巻装されてティース１２毎に各コイル９１Ｕ〜９３Ｗが形成され、各コイル９１Ｕ〜９３Ｗの巻き始め端３４、および巻き終わり端４４は、各々のコイル９１Ｕ〜９３Ｗが軸方向で対向しているセグメント１５であって、隣接する２つのセグメント１５，１５にそれぞれ接続されていると共に、周方向で隣り合う２つのコイル９１Ｕ〜９３Ｗのうち、一方のコイルの巻き終わり端４４と他方のコイルの巻き始め端３４とがそれぞれ同一のセグメント１５に接続されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、例えば、車両に搭載される直流モータに関するものである。

一般に、自動車等の車両に搭載される電動モータとしては、ブラシ付きの直流モータが多く使用されている。この種の直流モータは、円筒状のヨークハウジングの内周面に永久磁石が２極、又は４極配置され、この永久磁石の内側にアーマチュアコイルが巻装されたアーマチュアが回転自在に配置された構成となっている。アーマチュアは、回転軸に外嵌固定されたアーマチュアコアと、これに隣接するように回転軸に外嵌固定されたコンミテータとを有しており、アーマチュアコアには軸方向に長いスロットが複数形成されている。

このスロットには所定間隔をあけて巻線が重巻きにて巻装され、複数のコイルが形成されている。各コイルは、コンミテータに複数並設されているセグメントに導通している。
各セグメントは、ヨークハウジング内に収納されたブラシホルダに支持されている一対のブラシと摺接可能になっている。そして、これらブラシを介してコイルに直流電流が供給されると、アーマチュアコアに形成される磁界と永久磁石との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によって回転軸が回転される。この回転によってブラシが摺接するセグメントが順次変更されコイルに流れる電流の向きが切り替えられる、所謂整流が行われ、アーマチュアコアが継続的に回転する。

ところで、近年、自動車の高性能化に伴い、さらなる直流モータの小型化、高出力化が要望されている。そこで、永久磁石として中空円筒状に形成された極異方性希土類ボンド磁石を採用し、この極異方性希土類ボンド磁石を少なくとも４極に着磁させた直流モータが提案されている。このように構成することで、直流モータの小型化、高出力化を図ろうとしている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３４８０７３３号公報

しかしながら、上述の従来技術にあっては、アーマチュアコアに巻線が重巻きにて巻装されているので、巻太りによりアーマチュアを小型化し難い。重巻きの場合、並列回路数が磁極数と同じになるので、単純に磁極数を増大させ、並列回路数が増大した分、巻線の線径を細くすることも考えられるが、重巻き自体の巻太りを解消させるのは困難であると共に、モータ出力を確保するために各スロット間の巻回数が増大してしまう。このため、効率よく直流モータの小型化を図りにくいという課題がある。
また、例えば、モータ出力毎に複数の直流モータの機種を用意する場合にあっては、機種毎に線径の異なる複数種類の巻線を用意する必要があり、巻線の線径の共通化を図り難い。このため、材料コストを低減し難いという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、効率よく小型化を図ることができると共に、材料コストを低減可能な直流モータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る直流モータは、ヨークと、前記ヨークの内周面に固定され磁極数が６極の永久磁石と、前記ヨークの内側に回転自在に設けられているアーマチュアとを備え、前記アーマチュアは、前記ヨークに軸支される回転軸と、前記回転軸の周囲に固定されるアーマチュアコアと、前記回転軸に前記アーマチュアコアと隣接して設けられ９つのセグメントを周方向に沿って並設したコンミテータとを有し、前記アーマチュアコアは、径方向外側に向かって延びる９つのティースと、前記ティース間に形成され軸方向に沿って延びる９つのスロットとを有し、前記コンミテータのセグメントは、同電位となるセグメント同士が接続線によって短絡されている直流モータであって、各ティースに、それぞれ巻線が集中巻きで巻装されてティース毎にコイルが形成され、各コイルの巻き始め端、および巻き終わり端は、各々のコイルが軸方向で対向しているセグメントであって、隣接する２つのセグメントにそれぞれ接続されていると共に、周方向で隣り合う２つのコイルのうち、一方のコイルの巻き終わり端と他方のコイルの巻き始め端とがそれぞれ同一のセグメントに接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、磁極数が６、スロット数が９、セグメント数が９の６極９スロット９セグメントの直流モータにおいて、並列回路数を６とすることができると共に、各ティースに集中巻きにて巻線を巻装するので、巻線を細径化しつつ従来のような重巻きと比較してアーマチュアコアの巻太りを解消することができる。このため、直流モータを効率よく小型化することが可能になる。
また、巻線の細径化できるので、線径の異なる複数機種の直流モータを用意する場合であっても、比較的線径が太くなる大型機種の巻線を細径化することで、比較的線径が細くなる小型機種の巻線と共通化を図ることができる。このため、直流モータの機種毎に巻線を用意する必要がなく、材料コストを低減することが可能になる。

本発明の実施形態における減速機付直流モータの構成を示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 本発明の実施形態におけるアーマチュアの展開図である。 本発明の実施形態における直流モータの作用説明図である。

次に、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る直流モータ２が適用された減速機付直流モータ１の構成を示す断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図１、図２に示すように、減速機付直流モータ１は、例えば、車両のパワーウインドウ装置等に用いられるものであって、直流モータ２の回転軸３に、ウォームギヤ減速機４が連結されている。
直流モータ２は６極モータであって、有底筒状のヨーク５内にアーマチュア６を回転自在に配置した構成となっている。

ヨーク５の筒部５３は、断面略６角形状に形成されており、６つの平坦壁５４と、これらを連結する屈曲壁５５とで構成されている。各平坦壁５４の内面には、それぞれ平板状の永久磁石７が設けられている。
ヨーク５の底壁（エンド部）５１には、中央に軸方向外側に向かって突出するボス５７が形成され、ここに回転軸３の一端を軸支するための軸受け１８が圧入固定されていると共に、回転軸３のスラスト荷重を受ける円柱状の樹脂部材３５が設けられている。

筒部５３の開口部５３ａには、直流モータ２をウォームギヤ減速機４に締結固定するための外フランジ部５２が設けられている。外フランジ部５２には、ボルト２４を挿通するための孔（不図示）が形成されており、ここにボルト２４を挿通し、ウォームギヤ減速機４に螺入することにより、直流モータ２とウォームギヤ減速機４とが互いに締結固定されるようになっている。

ヨーク５内に回転自在に設けられたアーマチュア６は、回転軸３に外嵌固定されたアーマチュアコア８と、アーマチュアコア８に巻装されたアーマチュアコイル９と、回転軸３の他端側に配置されたコンミテータ１０とを備えている。アーマチュアコア８は、リング状の金属板１１を軸方向に複数枚積層したものである。
金属板１１の外周部にはＴ字型の９つのティース１２が周方向に沿って等間隔で放射状に形成されている。９つのティース１２は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に割り振られている。すなわち、同相同士のティース１２は、それぞれ３つずつ存在し、かつ周方向に等間隔で存在していることになる。

各ティース１２は、径方向外側に向かって延びる巻胴部１２ａと、巻胴部１２ａの先端に設けられ周方向に延在する外周部１２ｂとで構成されている。つまり、ティース１２の先端に設けられた外周部１２ｂがアーマチュアコア８の外周面を構成しており、永久磁石７の表面と対向した状態になっている。
ティース１２の外周部１２ｂは軸方向平面視で弧状に形成されているのに対し、これに対向する永久磁石７は平板状に形成されている。このため、永久磁石７の中央から周方向両端に向かうに従って徐々に永久磁石７とアーマチュアコア８との間のエアギャップが大きくなる。

複数枚の金属板１１を回転軸３に外嵌固定することにより、アーマチュアコア８の外周には、隣接するティース１２間に蟻溝状のスロット１３が９つ形成されている。スロット１３は軸方向に沿って延びており、周方向に沿って等間隔に複数形成されている。
これらスロット１３間にエナメル被覆の巻線１４を挿通し、ティース１２の巻胴部１２ａに絶縁材であるインシュレータ３９を介して巻線１４が巻装される。これにより、アーマチュアコア８の外周に、複数のアーマチュアコイル９が形成される。

コンミテータ１０は、回転軸３に外嵌固定されている円柱状の本体部６１と、本体部６１の外周面に周方向に沿って並設されている９枚のセグメント１５と、セグメント１５のアーマチュアコア８側の端部に形成されたライザ１６とを備えている。
したがって、この実施形態の直流モータ２は、永久磁石７が６つ、スロット１３が９つ、セグメント１５が９枚の６極９スロット９セグメントで構成された直流モータとなっている。

コンミテータ１０の本体部６１は合成樹脂で形成されており、９枚のセグメント１５を互いに絶縁した状態にしている。セグメント１５は軸方向に長い板状の金属片で形成されており、このアーマチュアコア８側の端部を外径側に折り返す形で折り曲げ、ここをライザ１６としている。
また、同電位となるセグメント１５同士（本実施形態では２つ置きのセグメント１５）に形成されているライザ１６には、それぞれ接続線１９が掛け回され、ヒュージングなどによりライザ１６に固定されている。接続線１９は、同電位となるセグメント１５同士を短絡するためのものであって、コンミテータ１０とアーマチュアコア８との間に配線されている。

このように構成されたコンミテータ１０は、ウォームギヤ減速機４のギヤハウジング２３に形成されたブラシ収納部２２に臨んだ状態で配設されている。
ブラシ収納部２２は、ギヤハウジング２３の直流モータ２側に凹状に形成されたものである。このブラシ収納部２２には、一対のブラシホルダ２０が回転軸３を中心に対向配置した状態で内装され、ボルト１７によって締結固定されている。

ブラシホルダ２０には、それぞれブラシ３１がスプリング２１を介して付勢された状態で出没自在に内装されている。これらブラシ３１は、陽極側ブラシ３１ａと陰極側ブラシ３１ｂとで構成されている（図４参照）。これらブラシ３１（３１ａ，３１ｂ）の先端部は、スプリング２１によって付勢され、コンミテータ１０に摺接した状態になっている。

ギヤハウジング２３のブラシ収納部２２よりも径方向外側には、ヨーク５の不図示の孔に対応する部位に雌ネジ部（不図示）が刻設されている。これら雌ネジ部にボルト２４が螺入されることにより、直流モータ２がギヤハウジング２３に締結固定された状態になる。
ギヤハウジング２３は、ブラシ収納部２２の他に、ウォーム軸収容部２７とウォームホイール収容部２８とを有している。

ウォーム軸収容部２７には、直流モータ２の回転軸３の他端に連結されたウォーム軸２５が収容されている。
ウォーム軸２５の両端側は、ウォーム軸収容部２７に設けられた軸受け４０，４１によって回転自在に支持されている。ウォーム軸２５と直流モータ２の回転軸３とは互いに軸方向に移動自在、かつ相対回転不能に連結されている。

また、ウォーム軸収容部２７の直流モータ２とは反対側には、クッションゴム３８が内装されている。このクッションゴム３８は、スラストプレート３７、および円柱状の樹脂部材３６を介してウォーム軸２５を軸方向に沿って直流モータ２側に向かって若干押圧している。したがって、樹脂部材３６とこれに対応するウォーム軸２５の先端との間に摺動摩擦抵抗が生じると共に、ヨーク５に設けられた樹脂部材３５とこれに対応する回転軸３の先端との間に摺動摩擦抵抗が生じるようになっている。

一方、ウォームホイール収容部２８には、ウォーム軸２５に噛合されるウォームホイール２６が収容されている。ウォームホイール２６には、このウォームホイール２６と共に回転可能に駆動連結された出力軸（不図示）が直流モータ２の回転軸３の直交方向に沿うように設けられている。なお、この不図示の出力軸が回転することによって車両のウインドウガラスが開閉する。
すなわち、前述したスラストプレート３７とこれに対応するウォーム軸２５の先端との間に生じる摺動摩擦抵抗は、ウインドウガラスの開閉動作の際、ウインドウガラスの自重によるウォーム軸２５の反転を防止するために作用するようになっている。

また、ギヤハウジング２３には、コネクタ２９が回転軸３の直交方向に沿うように外方（図１における上側）に向かって一体成形されている。このコネクタ２９は、外部からの電源を直流モータ２に供給するためのものである。
コネクタ２９には、不図示の接続端子が内装されており、この接続端子が直流モータ２のブラシ３１に電気的に接続されている。これによって、外部からの電源がブラシ３１を介してコンミテータ１０に供給される。この他にギヤハウジング２３の外周部には、減速機付直流モータ１を固定するときに使用されるボルト孔３３が３箇所設けられている。

次に、図３に基づいて、直流モータ２のアーマチュアコイル９の巻装方法について説明する。
図３は、アーマチュア６のセグメント１５（ライザ１６）とティース１２、ヨーク５の内面側に設けられた永久磁石７、そして、接続線１９を展開した図面であり、隣接するティース１２間の空隙がスロット１３に相当している。なお、各セグメント１５、および各ティース１２にそれぞれ符号を付して説明する。

同図に示すように、同電位となるセグメント１５同士は、接続線１９によって短絡されている。つまり、２つ置きのセグメント１５同士（例えば、１番セグメント１５、４番セグメント１５、および７番セグメント１５）が接続線１９によってそれぞれ短絡されている。
なお、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の順に割り振られている各ティース１２は、１番ティース１２から順にＵ相、Ｖ相、Ｗ相に割り振られているものとする。すなわち、１番、４番、７番ティース１２をＵ相とし、２番、５番、８番ティース１２をＶ相とし、３番、６番、９番ティース１２をＷ相とする。

巻線１４は、例えば、その巻き始め端３４が１番セグメント１５より巻き始められた場合、まず、１番セグメント１５のライザ１６に掛け回された後、巻線１４を１番セグメント１５の近傍に存在する１番−９番ティース１２の間のスロット１３に引き込む。そして、１番ティース１２にｎ（ｎは１以上の自然数）回巻装してＵ相の第一Ｕ相コイル９１Ｕを形成する。

続いて、１番−２番ティース１２，１２の間のスロット１３から巻線１４を引き出し、１番セグメント１５に隣接する２番セグメント１５のライザ１６に掛け回す。そして、巻線１４の巻き終わり端４４を２番セグメント１５に接続する。これにより、１番−２番セグメント１５，１５の間に、第一Ｕ相コイル９１Ｕが接続された状態になる。ここで、第一Ｕ相コイル９１Ｕと１番−２番セグメント１５，１５とは軸方向で対向した状態になっている。

続いて、巻線１４は、２番セグメント１５のライザ１６から２番セグメント１５の近傍に存在する１番−２番ティース１２の間のスロット１３に引き込まれる。そして、２番ティース１２にｎ回巻装してＶ相の第一Ｖ相コイル９１Ｖを形成する。
その後、２番−３番ティース１２，１２の間のスロット１３から巻線１４を引き出し、２番セグメント１５に隣接する３番セグメント１５のライザ１６に掛け回す。そして、巻線１４の巻き終わり端４４を３番セグメント１５に接続する。これにより、２番−３番セグメント１５，１５の間に、第一Ｕ相コイル９１Ｕが接続された状態になる。

ここで、第一Ｖ相コイル９１Ｖと２番−３番セグメント１５，１５とは軸方向で対向した状態になっている。また、周方向で隣り合う第一Ｕ相コイル９１Ｕと第一Ｖ相コイル９１Ｖは、２番セグメント１５で互いに接続した状態になっている。すなわち、第一Ｕ相コイル９１Ｕの巻き終わり端４４と第一Ｖ相コイル９１Ｖの巻き始め端３４は、２番セグメント１５で接続した状態になっている。

続いて、巻線１４は、３番セグメント１５のライザ１６から３番セグメント１５の近傍に存在する２番−３番ティース１２の間のスロット１３に引き込まれる。そして、３番ティース１２にｎ回巻装してＷ相の第一Ｗ相コイル９１Ｗを形成する。
その後、３番−４番ティース１２，１２の間のスロット１３から巻線１４を引き出し、３番セグメント１５に隣接する４番セグメント１５のライザ１６に掛け回す。そして、巻線１４の巻き終わり端４４を４番セグメント１５に接続する。これにより、３番−４番セグメント１５，１５の間に、第一Ｗ相コイル９１Ｗが接続された状態になる。

第一Ｗ相コイル９１Ｗと３番−４番セグメント１５，１５とは軸方向で対向した状態になっている。また、周方向で隣り合う第一Ｖ相コイル９１Ｖの巻き終わり端４４と第一Ｗ相コイル９１Ｗの巻き始め端３４は、３番セグメント１５で接続した状態になっている。
そして、これを順次各ティース１２に行う。これにより、４番−５番セグメント１５，１５には４番ティース１２に形成された第二Ｕ相コイル９２Ｕが接続され、５番−６番セグメント１５，１５には５番ティース１２に形成された第二Ｖ相コイル９２Ｖが接続され、６番−７番セグメント１５，１５には６番ティース１２に形成された第二Ｗ相コイル９２Ｗが接続される。また、７番−８番セグメント１５，１５には７番ティース１２に形成された第三Ｕ相コイル９３Ｕが接続され、８番−９番セグメント１５，１５には８番ティース１２に形成された第三Ｖ相コイル９３Ｖが接続され、９番−１番セグメント１５，１５には９番ティース１２に形成された第三Ｗ相コイル９３Ｗが接続される。

次に、図４に基づいて、直流モータ２の作用について説明する。図４は、アーマチュア６のセグメント１５（ライザ１６）とティース１２、ヨーク５の内面側に設けられた永久磁石７、そして、接続線１９を展開した図面である。
ここで、１対のブラシ３１、つまり、陽極側ブラシ３１ａ、および陰極側ブラシ３１ｂは、陽極側ブラシ３１ａが１番−２番セグメント１５，１５に跨るように摺接する一方、陰極側ブラシ３１ｂが６番セグメント１５に摺接している場合について説明する。

同図に示すように、陽極側ブラシ３１ａは、１番−２番セグメント１５，１５に跨るように摺接しているので、１番ティース１２に形成されている第一Ｕ相コイル９１Ｕが短絡される。また、同電位となるセグメント１５同士が接続線１９により短絡しているので、４番ティース１２に形成された第二Ｕ相コイル９２Ｕ、および７番ティース１２に形成された第三Ｕ相コイル９３Ｕが短絡される。

このとき、陽極側ブラシ３１ａが外部電源（不図示）により印加されると、２番ティース１２に形成された第一Ｖ相コイル９１Ｖ、５番ティース１２に形成された第二Ｖ相コイル９２Ｖ、および８番ティース１２に形成された第三Ｖ相コイル９３Ｖに紙面反時計回り方向に向かって電流が流れる。
一方、３番ティース１２に形成された第一Ｗ相コイル９１Ｗ、６番ティース１２に形成された第二Ｗ相コイル９２Ｗ、および９番ティース１２に形成された第三Ｗ相コイル９３Ｗには、紙面時計回り方向に向かって電流が流れる。

すなわち、９つのコイル９１Ｕ〜９３Ｗのうち、６つのコイル９１Ｖ，９２Ｖ，９３Ｖ，９１Ｗ，９２Ｗ，９３Ｗに電流が流れることになり、並列回路数が６ということになる。そして、これら６つのコイル９１Ｖ，９２Ｖ，９３Ｖ，９１Ｗ，９２Ｗ，９３Ｗが形成されたティース１２に磁界が形成され、この磁界とヨーク５の永久磁石７との間に生じる吸引力や反発力によってアーマチュア６が回転する。

したがって、上述の実施形態によれば、永久磁石７が６つ、スロット１３が９つ、セグメント１５が９枚の６極９スロット９セグメントで構成された直流モータ２において、並列回路数を６とすることができると共に、各ティース１２に集中巻きにて巻線１４を巻装するので、巻線１４を細径化しつつ従来のような重巻きと比較してアーマチュアコア８の巻太りを解消することができる。このため、直流モータ２を効率よく小型化することが可能になる。

また、従来において、例えば、直流モータ２の機種毎、出力毎に巻線１４の線径を設定する必要があった場合でも本実施形態によれば、巻線１４の共通化を図ることができる。すなわち、直流モータにおいて、比較的巻線１４の線径が細い小型機種と、これと比較して巻線１４の線径が太い大型機種がある場合、大型機種の巻線１４を細径化することができるので、小型機種と大型機種との巻線１４を共通化することができる。このため、直流モータの機種毎に巻線１４を用意する必要がなく、材料コストを低減することが可能になる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
また、上述の実施形態では、直流モータ２を減速機付直流モータ１に適用した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、直流モータ２をウォームギヤ減速機４と連結させずに用いてもよいし、他の減速機溝と連結させて用いてもよい。

１ 減速機付直流モータ
２ 直流モータ
３ 回転軸
５ ヨーク
６ アーマチュア
７ 永久磁石
８ アーマチュアコア
９ アーマチュアコイル
１０ コンミテータ
１２ ティース
１３ スロット
１４ 巻線
１５ セグメント
１９ 接続線
３１ ブラシ
３４ 巻き始め端
４４ 巻き終わり端
９１Ｕ 第一Ｕ相コイル（コイル）
９１Ｖ 第一Ｖ相コイル（コイル）
９１Ｗ 第一Ｗ相コイル（コイル）
９２Ｕ 第二Ｕ相コイル（コイル）
９２Ｖ 第二Ｖ相コイル（コイル）
９２Ｗ 第二Ｗ相コイル（コイル）
９３Ｕ 第三Ｕ相コイル（コイル）
９３Ｖ 第三Ｖ相コイル（コイル）
９３Ｗ 第三Ｗ相コイル（コイル）

Claims (1)

1. ヨークと、
   前記ヨークの内周面に固定され磁極数が６極の永久磁石と、
   前記ヨークの内側に回転自在に設けられているアーマチュアとを備え、
   前記アーマチュアは、
   前記ヨークに軸支される回転軸と、
   前記回転軸の周囲に固定されるアーマチュアコアと、
   前記回転軸に前記アーマチュアコアと隣接して設けられ９つのセグメントを周方向に沿って並設したコンミテータとを有し、
   前記アーマチュアコアは、
   径方向外側に向かって延びる９つのティースと、
   前記ティース間に形成され軸方向に沿って延びる９つのスロットとを有し、
   前記コンミテータのセグメントは、同電位となるセグメント同士が接続線によって短絡されている直流モータであって、
   各ティースに、それぞれ巻線が集中巻きで巻装されてティース毎にコイルが形成され、
   各コイルの巻き始め端、および巻き終わり端は、各々のコイルが軸方向で対向しているセグメントであって、隣接する２つのセグメントにそれぞれ接続されていると共に、
   周方向で隣り合う２つのコイルのうち、一方のコイルの巻き終わり端と他方のコイルの巻き始め端とがそれぞれ同一のセグメントに接続されていることを特徴とする直流モータ。

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