JP2010279163A - モータ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に巻線できる出力切り替えが可能な多極モータを提供する。
【解決手段】少なくとも８極の磁極と、少なくとも１０個のティース部９を有するアーマチュアと、少なくとも２０個のセグメント１５を有するコミュテータと、２個の正極ブラシ及び２個の負極ブラシを有するブラシセットと、を備え、前記セグメントのそれぞれには、導電線を掛け止めるための掛止部が設けられ、１本の導電線を用い、前記複数の掛止部に掛け止めながら、前記複数のティース部のそれぞれに巻き付けることによりコイル群が形成されており、前記ブラシセットへの通電状態の切り替えが可能なモータ。
【選択図】図５

Description

本発明は、出力の切り替えが可能なモータに関する。

出力の切り替えはできないが、モータの小型化等のために巻線を工夫した８極１０スロット２０セグメントのＤＣモータが開示されている（特開２００８−１３６３４３号公報）。具体的には、８個の永久磁石により磁極が形成され、アーマチュアの１０個のスロットには、それぞれＵ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ相が割り当てられ、５相巻き構造となっている。コミュテータの２０個のセグメントは、５本の接続線を用いてそれぞれ４つ置きに掛け回され、短絡されている。

出力の切り替えができるモータとしては、例えば、回転速度の切り替えができる４極重巻仕様のモータが開示されている（特開２００６−３５３０１９号公報）。

このモータは、重巻にて巻装された４極以上の多極モータであって、周方向に等間隔で配置された複数個のブラシを備え、ブラシを選択的に通電させることにより、２速度以上の作動モードを形成する。ブラシは、正極第１ブラシとそれに対向配置された正極第２ブラシと、負極第１ブラシとそれに対向配置された負極第２ブラシとからなり、正極第１ブラシ及び負極第１ブラシが通電される低速モードと、４個のブラシの全てが通電される高速モードとを有している。

また、重巻にて巻装された４極以上の多極モータであって、低速作動時に使用される第１及び第２ブラシと、第１及び第２ブラシの何れか一方と共に高速作動時に使用される第３ブラシと、複数のコイルのうち等電位となるべきコイル間を接続する均圧部材とを有する多極モータも開示されている。このモータによれば、同電位のブラシを削減することができるため、ブラシ個数の削減が可能になる。

第１〜第３ブラシと対向する位置を基準としてモータ回転方向に進角又は遅角させた位置の少なくとも１箇所にブラシが追加配置された多極モータも開示されている。このモータによれば、多極機においてもブラシ数を大幅に増大させることなく新たな作動モードの実現が可能になる。例えば、「６極機に均圧線を適用すれば、通常はブラシが６個必要となるが、低速モードは２個のブラシで作動可能である。この際、本来ブラシが配置されるスペースが４箇所空くことから、そこに別作動モード用のブラシを適宜配置することにより、低速、高速以外にさらに４種類の作動モードを追加できる。つまり、モータが多極となればなるほど作動モードの種類も増やすことが可能となる」としている。
特開２００８−１３６３４３号公報 特開２００６−３５３０１９号公報

通常、８極以上の多極仕様のモータで出力の切り替え制御を行うとそれだけブラシ数も増大するため、構造が複雑になり易い傾向がある。その点、特開２００６−３５３０１９号公報のモータのように、等電位となるコイル間を均圧線で接続すればブラシ数を減らすことも可能である。

しかし、均圧線を接続すれば、それだけ巻線作業の工数が増えて生産性が低下する虞がある。

本発明の目的は、生産性に優れた８極以上の出力切り替えが可能なモータを提供することにある。

本発明に係るモータは、少なくとも８極の磁極と、少なくとも１０個のティース部を有するアーマチュアと、少なくとも２０個のセグメントを有するコミュテータと、２個の正極ブラシ及び２個の負極ブラシを有するブラシセットと、を備え、前記セグメントのそれぞれには、導電線を掛け止めるための掛止部が設けられ、１本の導電線を用い、前記複数の掛止部に掛け止めながら、前記複数のティース部のそれぞれに巻き付けることによりコイル群が形成されており、前記ブラシセットへの通電状態の切り替えが可能なように構成されている。

かかる構成によれば、１本の導電線を巻き付けることによりコイル群が形成されているので、均圧線を別途接続する必要がない。

本発明によれば、出力の切り替えが可能で、生産性に優れるモータを提供することができる。

図１は、第１実施形態におけるモータを示す概略断面図である。 図２は、図１におけるII−II線断面図である。 図３は、図１における、バックカバーを除いてIII−III線方向から見た図である。 図４は、ティース部やセグメントの配置を説明するための概略図である。 図５の（ａ）及び（ｂ）は、導電線の巻き付け順序を説明するための図である。 図６は、回路構成を示す概念図である。 図７は、ブラシセットの通電状態の切り替えを説明するための図である。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ異なる通電状態での回路構成を示している。 図８は、ブラシセットの異なる通電状態におけるモータの出力の違いを表した概念図である。 図９は、第１実施形態の変形例における図３相当図である。 図１０の（ａ）及び（ｂ）は、第１実施形態の変形例における導電線の巻き付け順序を説明するための図である。 図１１は、第１実施形態の変形例の回路構成を示す概念図である。 図１２は、第２実施形態におけるティース部やセグメントの配置を説明するための概略図である。 図１３の（ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態における導電線の巻き付け順序を説明するための図である。 図１４は、第３実施形態におけるティース部やセグメントの配置を説明するための概略図である。 図１５は、第３実施形態における導電線の巻き付け順序を説明するための図である。 図１６は、第４実施形態におけるティース部やセグメントの配置を説明するための概略図である。 図１７は、第４実施形態における導電線の巻き付け順序を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

＜第１実施形態＞
（モータの構成）
図１〜図３に、本実施形態のモータを示す。このモータは、ＤＣモータであり、回転軸となるシャフト１やアーマチュア２、マグネット３、コミュテータ４、ブラシセット５などがハウジング６に収容されている。

ハウジング６は、一端が開口する扁平な略円筒状のケース６ａと、ケース６ａの開口を塞ぐバックカバー６ｂとを備える。これらケース６ａ及びバックカバー６ｂにベアリング７，７を介してシャフト１が回転自在に支持されている。シャフト１には、アーマチュア２やコミュテータ４が固定されている。図示していないが、シャフト１の外周面には、アーマチュア２、または、コミュテータ４に対して、周方向の移動を規制するためのローレット加工が施されている。

アーマチュア２には、シャフト１の軸方向の中間部分に固定された円盤状のコア８と、コア８の外周部分に等間隔で放射状に複数形成された断面略Ｔ字状のティース部９，９，…と、これらティース部９，９，…に巻装された一群のコイル１０，１０，…とが備えられている。コア８及びティース部９は金属板を軸方向に積層して形成されている。本実施形態では、ティース部９は１０個形成されていて、互いに隣接するティース部９の間には、それぞれスロット１１，１１，…が形成されている（１０スロット）。

これら各スロット１１，１１，…の間を通るようにティース部９に導電線１２が巻き付けられて、コア８の外周には１０個のコイル群が形成されている（集中巻き）。

マグネット３は、Ｎ極とＳ極とに２分して着磁された４個の円弧状の要素マグネット３ａ，３ａ，３ａ，３ａで構成されている。マグネット３は、アーマチュア２の外周面と近接して対向するように、これら要素マグネット３ａ，３ａ，３ａ，３ａを組み合わせてハウジング６の内周面に環状に固定されている。つまり、本実施形態では、軸周りに等間隔で異なる８個の磁極が交互に配置されている（８ポール）。マグネット３が固定されたハウジング６の周壁は、バックヨークを兼ねている。分極した４個の要素マグネット３ａでマグネット３を構成することで、８個のマグネットを用いる場合に比べて組み付けが容易になる利点がある。

コミュテータ４は、シャフト１の端部分に固定された円柱状の部材からなる。コミュテータ４の外周面には、帯板状の導電性に優れた複数のセグメント１５，１５，…が周方向に連続して等間隔で固定されている。導通を避けるために、各セグメント１５は間隔をあけて配置されている。本実施形態では、セグメント１５が２０個設けられている（２０セグメント）。各セグメント１５のアーマチュア２側の端部には、導電線１２を掛けて止めるための掛止部１５ａが一体に設けられている。これら掛止部１５ａに１本の導電線１２を掛け止めながら各ティース部９に巻き付けて巻線構造が形成されている。

ブラシセット５は、ハウジング６内に取り付けられたブラシプレート１６に組み付けられている。ブラシプレート１６は、円盤状の部材からなり、その中央にはコミュテータ４の外径より大径の丸孔が形成されている。ブラシセット５は、２個の正極ブラシ５ａ，５ａと２個の負極ブラシ５ｂ，５ｂとを有し、コミュテータ４の周囲に配設されている。各ブラシ５ａ，５ａ，５ｂ，５ｂは、それぞれブラシプレート１６の半径方向に沿って配置され、丸孔に向かって出退自在に支持されている。各ブラシ５ａ，５ａ，５ｂ，５ｂの丸孔側の端部はスプリング５ｃによってコミュテータ４の外周面に押し付けられていて、各ブラシ５ａ，５ａ，５ｂ，５ｂは各セグメント１５と摺接して電気的に接続する。なお、各ブラシ５ａ，５ａ，５ｂ，５ｂは、接続端子１７を介して図外の制御装置等と接続される。

同極のブラシ５ａ，５ａは、それぞれ軸回り方向に回転軸に対して略１８０度ずれた位置に配置されている。すなわち、一対の正極ブラシ５ａ，５ａは対向状に配置され、同様に、一対の負極ブラシ５ｂ，５ｂも対向状に配置されている。ここで、異極のブラシ、つまり正極ブラシ５ａと近接する一方の負極ブラシ５ｂとは、それぞれ軸回り方向に略４５度ずれた位置に配置されている。

（モータの巻線構造）
このモータでは、１本の導電線１２で巻線ができるように工夫されている。図４に示すティース部９とセグメント１５との配置に基づき、その巻線構造について説明する。反時計回り及び時計回りのいずれでもよいが、便宜上、同図に示すように、各ティース部９のそれぞれは、所定のティース部９から時計回りに１〜１０の番号を順に付して区別する。図示はしないが、コイル１０もそのコイルが形成されているティース部９と同じ番号により区別する。また、各セグメント１５のそれぞれは、１番の番号を付したティース部９の近傍の所定のセグメント１５からティース部９と同じ時計回りに１〜２０の番号を順に付して区別する。

図５に、導電線１２の巻き付け順序を表した概念図を示す。同図の（ａ）はティース部９とセグメント１５とを平面状に表し、導電線１２の巻き付け順序を矢印線で示したものである。同図の（ｂ）は巻き付けた導電線１２の構成を模式的に示したものである。

これらに示すように、最初は、６番のセグメント１５に導電線１２の巻き始め端を掛け止める。６番のセグメント１５ではなく、１番のセグメント１５であってもよい。次に、１番のセグメント１５に引っ掛けて、１番のティース部９と２番のティース部９との間のスロット１１から通して、１番のティース部９に導電線１２を所定回数巻き付けて、１番のコイル１０を形成する。そして、２番のセグメント１５に引っ掛けた後、７番のセグメント１５に引っ掛ける。つまり、２番のセグメント１５と７番のセグメント１５とは、短絡している。６番のセグメント１５と１番のセグメント１５も同様である。７番のセグメント１５に引っ掛けた導電線１２は、４番のティース部９と５番のティース部９との間のスロット１１から通して、４番のティース部９に所定回数巻き付けて、４番のコイル１０を形成する。

後は、これら図に示す順序で同じようにして導電線１２を巻き付けていき、最後に巻き始め端の６番または１番のセグメント１５に掛け止めればよい。１本の導電線１２を巻き付けるだけで済むため、巻線作業が容易になる。巻線機で自動的に処理することも可能であり、生産性に優れる。なお、この場合、１〜１０番の各ティース部９に形成された各コイル１０は、ティース部９の先端側から見て反時計回りに形成されている。各セグメント１５に掛け止められた導電線１２は、接触部位の被覆が取り除かれることにより、そのセグメント１５と接続される。

このようにして形成される巻線構造は、前半部分と後半部分とで点対称になっている。すなわち、各ティース部９及び各セグメント１５を軸方向から見て巻き始め側と巻き終わり側とに２分したとき、換言すれば、１〜５番のティース部９及び１〜１０番のセグメント１５と、６〜１０番のティース部９及び１１〜２０番のセグメント１５とに分けたとき、それぞれの各ティース部９及び各セグメント１５における巻線部分は、回転軸に対して点対称な構造となっている。

また、導電線１２における各セグメント１５間、もしくは各ティース部９間を渡って設けられる部分（均圧線）は、ティース部側に偏在している。例えば、あるセグメント１５から離れたセグメント１５に導電線１２を巻き付ける場合には、導電線９がティース部９の近傍を通って渡るように巻線されている。そうすることで、製造過程やモータの回転中などに、均圧線の部分がシャフト１等に不用意に引っ掛かるのを防いでいる。例えば、シャフト１のローレット加工部分と、導電線９とが接触することによって生じる導電線９の破断や短絡を防止する。

図６は、この巻線構造の回路図である。ブラシセット５を上述したように配置することで、例えば、１番及び１１番のセグメント１５がそれぞれ正極ブラシ５ａ，５ａと接続するときには、３番及び４番のセグメント１５は一方の負極ブラシ５ｂと接続し、１３番及び１４番のセグメント１５は他方の負極ブラシ５ｂと接続するように設定されている。そうすると、１番のセグメント１５（正極）と３番のセグメント１５（負極）との間に、１番と４番のコイル１０が直列で接続され、１番のセグメント１５（正極）と１４番のセグメント１５（負極）との間に、８番と１０番のコイル１０が直列で接続される。また、１１番のセグメント１５（正極）と１３番のセグメント１５（負極）との間に、６番と９番のコイル１０が直列で接続され、１１番のセグメント１５（正極）と４番のセグメント１５（負極）との間に、３番と５番のコイル１０が直列で接続される。

このように回路を形成することで、ブラシセット５への通電状態を切り替えることによりモータの出力の切り替えが可能になる。

図７に、その切り替えパターンの一例を示す。同図の（ａ）は、４個全てのブラシ５ａ，５ａ，５ｂ，５ｂに通電した場合を表している（ブラシ４個使用時）。この場合、正負極間に形成される総合抵抗値は、コイル１個当たりの抵抗値をＲとしたとき、Ｒ／２となる。同図の（ｂ）は、一方の負極ブラシ５ｂの通電を停止した場合を表している（ブラシ３個使用時）。この場合、４つのコイル１０が閉ループとなるため、正負極間に形成される総合抵抗値は、Ｒとなる。同図の（ｃ）は、離れて位置する２つの異極ブラシ５ａ，５ｂへの通電を停止した場合を表している（ブラシ２個使用時）。この場合、直列の２個のコイル１０と直列の７個のコイル１０とが並列に接続された回路が形成されるため、正負極間に形成される総合抵抗値は、１４Ｒ／９となる。

従って、ブラシセット５への通電状態を切り替えることで、図８に示すように、一定の逆起電力の下で総合抵抗を変化させることができるようになるため、モータの出力（トルクや速度）を切り替えることができる。

（変形例）
図９〜図１１に、第１実施形態の変形例を示す。本実施形態では、ブラシセット５の配置及び巻線構造が異なっている。なお、その他の構成については、先の説明と同様であるため異なる点について説明し、同じ構成については同一の符号を付して説明は省略する。

図９に示すように、本実施形態のブラシセット５の同極ブラシ５ａ，５ａは、軸回り方向に略９０度ずれて配置されている。同極ブラシ５ｂ，５ｂも、同様である。いずれか一方の正極ブラシ５ａと負極ブラシ５ｂとは、それぞれ軸回り方向に略４５度ずれた位置に配置されている。

図１０は本実施形態における導電線１２の巻き付け順序であり、図１１はその回路図である。このようにブラシセット５を配置して巻線構造を構成しても、先に説明したものと同様の回路を形成してモータの出力を切り替えることができる。

＜第２実施形態＞
図１２及び図１３に、第２実施形態を示す。モータの基本的構成は、第１実施形態と同様であるため異なる点について説明し、同じ構成については同一の符号を付して説明は省略する。

図１２に示すように、本実施形態のモータでは、ティース部９が１２個（１２スロット）、セグメント１５が２４個（２４セグメント）となっている。この場合、１本の導電線１２を用いて巻線構造を形成し、ブラシセット５への通電状態の切替えによってモータの出力の切り替えを可能にするには、図１３に示すように導電線１２を巻き付けて巻線構造を形成すればよい。

具体的には、１番のセグメント１５を巻き始め端とした場合、導電線１２を７番のセグメント１５に引っ掛けて、４番のティース部９と５番のティース部９の間のスロット１１から通して、４番のティース部９に所定回数巻き付けてコイル１０を形成する。このコイル１０は、ティース部９の先端側から見て反時計回り（ＣＣＷ）に形成されている（第２コイル２２、図１３の（ａ）にて太線で示す）。そして、８番のセグメント１５に引っ掛けた後、２番のセグメント１５に引っ掛ける。つまり、８番のセグメント１５と２番のセグメント１５とは短絡している。２番のセグメント１５に引っ掛けた導電線１２は、１１番のティース部９と１２番のティース部９との間のスロット１１から通して、１２番のティース部９に所定回数巻き付けてコイル１０を形成する。このコイル１０は、ティース部９先端側から見て時計回り（ＣＷ）に形成されている（第１コイル２１、図１３の（ａ）にて細線で示す）。そして、その後、同図に示す順序に従って導電線１２を各セグメント１５に掛け止め、各ティース部９に巻き付けてコイル１０を形成していけばよい。

そうすると、各ティース部９のそれぞれに、第１コイル２１と第２コイル２２とを形成することができる。例えば、５番のティース部９には、９番のセグメント１５から導出された導電線１２が、５番のティース部９と６番のティース部９との間のスロット１１から巻き付けられて、第２コイル２２が形成されている。その後、１２番のセグメント１５から導出された導電線１２が、４番のティース部９と５番のティース部９との間のスロット１１から巻き付けられて、第１コイル２１が形成されている。同様に、１〜１２番の各ティース部９には、第１コイル２１と第２コイル２２とが重なるように形成されている。

８ポール１２スロット２４セグメントのモータであれば、このように巻線構造を形成することで、１本の導電線１２を巻き付けて出力切り替えのできるモータを実現できる。

＜第３実施形態＞
図１４及び図１５に、第３実施形態を示す。モータの基本的構成は、第１実施形態と同様であるため異なる点について説明し、同じ構成については同一の符号を付して説明は省略する。

図１４に示すように、本実施形態のモータでは、ティース部９が２０個（２０スロット）、セグメント１５が２０個（２０セグメント）となっている。この場合、１本の導電線１２を用いて巻線構造を形成するには、例えば、図１５に示すように、分布巻きにより導電線１２を巻き付けて巻線構造を形成すればよい。８ポール２０スロット２０セグメントのモータであれば、このような巻線構造にすることで、出力切り替えのできるモータを実現できる。

＜第４実施形態＞
図１６及び図１７に、第４実施形態を示す。モータの基本的構成は、第１実施形態と同様であるため異なる点について説明し、同じ構成については同一の符号を付して説明は省略する。

図１６に示すように、本実施形態のモータでは、ティース部９が２４個（２４スロット）、セグメント１５が２４個（２４セグメント）となっている。この場合、１本の導電線１２を用いて巻線構造を形成するには、例えば、図１７に示すように、分布巻きにより導電線１２を巻き付けて巻線構造を形成すればよい。８ポール２４スロット２４セグメントのモータであれば、このような巻線構造にすることで、出力切り替えのできるモータを実現できる。

エンジン冷却用のファンモータなど、車載モータに好適である。

２ アーマチュア
３ マグネット
４ コミュテータ
５ ブラシセット
５ａ 正極ブラシ
５ｂ 負極ブラシ
９ ティース部
１０ コイル
１２ 導電線
１５ セグメント

Claims (8)

1. 少なくとも８極の磁極と、
   少なくとも１０個のティース部を有するアーマチュアと、
   少なくとも２０個のセグメントを有するコミュテータと、
   ２個の正極ブラシ及び２個の負極ブラシを有するブラシセットと、
   を備え、
   前記セグメントのそれぞれには、導電線を掛け止めるための掛止部が設けられ、
   １本の導電線を用い、前記複数の掛止部に掛け止めながら、前記複数のティース部のそれぞれに巻き付けることによりコイル群が形成されており、
   前記ブラシセットへの通電状態の切り替えが可能なモータ。
2. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁極が８極であり、
   前記ティース部が１０個であり、
   前記コイル群が集中巻きにより形成されていて、
   前記１０個のティース部のそれぞれに対し、所定のティース部から時計回りまたは反時計回りに１〜１０の番号を順に付した場合に、
   １番のティース部から巻き始められて、４番のティース部、２番のティース部、５番のティース部、３番のティース部、６番のティース部、９番のティース部、７番のティース部、１０番のティース部の順に導電線が巻き付けられ、８番のティース部で巻き終わっているモータ。
3. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記セグメントが２０個であり、
   前記ブラシセットにおける同極ブラシは、それぞれ軸回り方向に略１８０度ずれた位置に配置され、
   前記２０個のセグメントのそれぞれに対し、前記所定のティース部の近傍の所定のセグメントから前記ティース部と同じ回りに１〜２０の番号を順に付した場合に、
   １番または６番のセグメントから巻き始められて、１番のティース部、２番のセグメント、７番のセグメント、４番のティース部、８番のセグメント、３番のセグメント、２番のティース部、４番のセグメント、９番のセグメント、５番のティース部、１０番のセグメント、５番のセグメント、３番のティース部、１６番のセグメント、１１番のセグメント、６番のティース部、１２番のセグメント、１７番のセグメント、９番のティース部、１８番のセグメント、１３番のセグメント、７番のティース部、１４番のセグメント、１９番のセグメント、１０番のティース部、２０番のセグメント、１５番のセグメント、８番のティース部の順に導電線が巻き付けられ、巻き始められた１番または６番のセグメントで巻き終わっているモータ。
4. 請求項２に記載のモータにおいて、
   前記セグメントが２０個であり、
   前記ブラシセットにおける同極ブラシは、それぞれ軸回り方向に略９０度ずれて配置され、
   前記２０個のセグメントのそれぞれに対し、前記所定のティース部の近傍の所定のセグメントから前記ティース部と同じ回りに１〜２０の番号を順に付した場合に、
   １番または１１番のセグメントから巻き始められて、１番のティース部、２番のセグメント、１２番のセグメント、４番のティース部、１３番のセグメント、３番のセグメント、２番のティース部、４番のセグメント、１４番のセグメント、５番のティース部、１５番のセグメント、５番のセグメント、３番のティース部、６番のセグメント、１６番のセグメント、６番のティース部、１７番のセグメント、７番のセグメント、９番のティース部、８番のセグメント、１８番のセグメント、７番のティース部、１９番のセグメント、９番のセグメント、１０番のティース部、１０番のセグメント、２０番のセグメント、８番のティース部の順に導電線が巻き付けられ、巻き始められた１番または１１番のセグメントで巻き終わっているモータ。
5. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁極が８極であり、
   前記ティース部が１２個であり、
   前記セグメントが２４個であり、
   前記コイル群が集中巻きにより形成されていて、
   各ティース部のそれぞれに、該ティース部の先端側から見て時計回りの第１コイルと反時計回りの第２コイルとが形成されているモータ。
6. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁極が８極であり、
   前記ティース部が２０個であり、
   前記セグメントが２０個であり、
   前記コイル群が分布巻きにより形成されているモータ。
7. 請求項１に記載のモータにおいて、
   前記磁極が８極であり、
   前記ティース部が２４個であり、
   前記セグメントが２４個であり、
   前記コイル群が分布巻きにより形成されているモータ。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載のモータにおいて、
   前記複数の掛止部間、もしくは前記複数のティース部間を渡るように設けられる均圧線が、ティース部側に偏在しているモータ。

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