JP2011234619A - 電気モーター - Google Patents

Abstract

【課題】モーターの整流性能は、特に、回転子巻線の巻数が比較的多い場合に良くない。
【解決手段】電気モーターは、固定子と前記固定子と磁気的に対となる回転子を備える。前記回転子は、シャフトと、前記シャフトに固定され、複数の歯を有する回転子鉄心と、前記回転子鉄心近傍のシャフトに固定され、複数のセグメントを有する整流子と、前記歯に巻かれ、前記セグメントに接続された回転子巻線ユニットとを備える。前記整流子との電気的すり接触を行うブラシは、前記回転子に電気を送電する。前記回転子巻線ユニットのそれぞれは、互いに直列に直接接続され、少なくとも１つの歯によって互いに分離される、少なくとも２つのサブコイルを備える。各回転子巻線ユニットの最初のサブコイルと最後のサブコイルは、それぞれ、２つの近接セグメントに直接接続される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気モーターに関連し、特に、電気モーターの巻線形回転子（wound rotor）に関する。

単相直巻モーター（single phase series motor）は、交流電力または直流電力のどちらでも、動作することができるユニバーサルモーターとしても知られている。それは、巻線形固定子（wound stator）をもつ単相直巻モーターであり、巻線形回転子の回転子巻線（rotor winding）は、ブラシを経由して固定子巻線（stator winding）に直列に接続される。高い回転速度、小さいサイズ、低重量、高い起動トルク、簡便な速度調節、直巻励振のような特徴のおかげで、該ユニバーサルモーターは、高い回転速度、小さいサイズ、低重量を必要とする低電力電気器具を駆動するためによく用いられる。例えば、フードミキサー、掃除機、家庭用ミシン、電動工具などによく用いられる。

図５と図６を参照すると、典型的な周知のユニバーサルモーターは、回転子と固定子を含む。回転子は、シャフト２２と、該シャフトに固定された整流子（図示せず）と、該整流子近傍のシャフトに固定された回転子鉄心とを有し、そして、複数の回転子極（rotor pole）２６と、該回転子極を取り巻いて該整流子に接続された回転子巻線（図示せず）とを有する。固定子は、矩形形状のヨークを含む固定子鉄心と、該ヨークの対向する２つの側から内側に伸びる２つの歯（teeth）４３（固定子極（stator pole））と、それらに巻かれた固定子巻線４４を有する。さらに、モーターは、該固定子巻線に電気を送電するために、整流子とのすり接触（sliding contact）を行うブラシ（図示せず）も含む。固定子巻線が通電したとき、反極性の２つの磁極が、固定子極において生じ、そして、２つの磁気回路が形成される。各磁気回路は、図６に示されるように、比較的長い経路となるように、２つの固定子極、回転子の半分、ヨークの側面を通過する。さらに、各回転子巻線の両端は、一般的に、整流子の２つのセグメントに接続される。

モーターの整流性能（commutation performance）は、特に、回転子巻線の巻数が比較的多い場合に良くない。それゆえに、改良された電気モーターが求められる。

したがって、１つの特徴として、本発明は、シャフトを有する回転子と、前記シャフトに固定され、複数の歯を有する回転子鉄心と、前記回転子鉄心近傍のシャフトに固定され、複数のセグメントを有する整流子と、前記歯に巻かれ、前記セグメントに接続された回転子巻線ユニットと、前記回転子と磁気的に対となる固定子と、前記整流子との電気的すり接触（sliding electrical contact）を行うブラシとを含み、前記回転子巻線ユニットのそれぞれは、互いに直列に直接接続され、少なくとも１つの歯によって互いに分離された、少なくとも２つのサブコイルを含み、各回転子巻線ユニットの最初のサブコイルと最後のサブコイルは、それぞれ、一組の近接セグメントに直接接続される、電気モーターを提供する。

好ましくは、前記回転子巻線ユニットのそれぞれは、互いに直列に直接接続され、１つの歯によって互いに分離された２つのサブコイルを含む。

好ましくは、回転子巻線ユニットの前記少なくとも２つのサブコイルは、同じ巻数となる。

あるいは、回転子巻線ユニットの前記少なくとも２つのサブコイルは、異なる巻数となる。

好ましくは、回転子巻線ユニットの前記少なくとも２つのサブコイルは、同じ方向に巻かれている。

好ましくは、同じセグメントに直接接続された２つの回転子巻線ユニットは、反対方向に巻かれている。

好ましくは、セグメント数の歯数に対する比率は、１，２または３である。

好ましくは、前記固定子は２Ｐ個の磁極を生じるように構成され、前記整流子はｍ個のセグメントを有し、前記回転子鉄心はｎ個の歯を有する。ただし、Ｐは１より大きい整数であり、ｍとｎはＰよりもより大きい偶数である。理想的には、Ｐ＝２である。

好ましくは、前記固定子は、ヨークを有する固定子鉄心であって、該ヨークは、第一部分から伸びる主極（primary pole）をそれぞれ備える、少なくとも２つの第一部分と、第二部分から伸びる補助極（auxiliary pole）をそれぞれ備える、少なくとも２つの第二部分とを含み、前記少なくとも２つの主極と前記少なくとも２つの補助極は、前記固定子鉄心の円周方向に交互に配置され、前記主極はそれらに巻かれた固定子巻線を有する、固定子鉄心と、前記モーターが通電したときに、同じ極性を伴う主磁極（primary magnetic pole）が、前記少なくとも２つの主極において生じ、前記主磁極の極性とは正反対となる、同じ極性を伴う誘導磁極（induced magnetic pole）が、前記少なくとも２つの補助極において生じるように、構成される前記固定子巻線とを含む。

好ましくは、前記第一部分は、前記第二部分よりも狭い。

好ましくは、前記補助極には固定子巻線がない。

あるいは、前記補助極はそれらに巻かれた固定子巻線を備え、前記補助極に巻かれた前記固定子巻線は、前記主極に巻かれた前記固定子巻線よりも少ない巻数となる。

好ましくは、前記回転子の外径と前記固定子の最小外のり寸法との比率は、７：１０よりも大きい。

本発明の好ましい実施形態は、ほんの一例として、添付図面の図を参照して説明される。図において、複数の図に現れる同一の構造、要素または部品は、概して、それらが現れるすべての図において同じ参照番号が付けられる。図に示される構成要素や特徴の大きさは、一般的に、簡便性や表現の明確性のために、必ずしもスケール通りに示されない。図の一覧を次に列挙する。

図１は、本発明の好ましい実施形態に従う電気モーターの断面概略図である。 図２は、図１のモーターに対する磁路（magnetic path）の図である。 図３は、図１のモーターに対する簡略化された巻き型の図である。 図４は、図３の巻き型を説明するテーブルである。 図５は、従来のユニバーサルモーターの断面概略図である。 図６は、図５のモーターに対する磁路の図である。

本発明の好ましい実施形態に従う単相直巻モーターは、図１に示される。図１は、回転子巻線が省略された、モーターの横断面の概略図である。モーターは、回転子２０と、回転子２０と磁気的に対となる固定子４０とを含む。

回転子２０は、シャフト２０と、シャフト２０に固定された回転子鉄心２４と、回転子鉄心２４に近接するシャフト２２に固定された固定された整流子（図示せず）とを含む。回転子２４は、該回転子の軸方向に、軟鉄板（lamination）を積み重ねることで形成される。回転子鉄心２４はｎ個の歯２６を備え、歯２６に巻かれたｍ個の回転子巻線ユニット３６がある。巻線溝（winding slot）２８は、それぞれ隣接する２つの歯２６の間に形成される。整流子は、ｍ個のセグメント（バーとも呼ばれる）３０を備える。回転子巻線ユニット３６は、回転子鉄心２４の巻線溝２８で巻きつけられ、整流子のセグメント３０に接続される。この実施形態では、ｍは３６に等しく、ｎは１８に等しい。

固定子４０は、固定子鉄心４２と固定子巻線４４を含む。固定子鉄心４２は、モーターの軸方向に、軟鉄板を積む重ねることで形成され、２つの第一部分４６と２つの第二部分４８を有するヨークを含む。第一部分４６と第二部分４８は、固定子鉄心４２の円周方向に、交互に配置される。２つの主極５０と２つの補助極５２は、それぞれ第一部分４６と第二部分４８から内側に伸びる。固定子巻線４４は、主極５０に巻きつけられ、補助極５２に巻きつけられる巻線はない。また、モーターは、整流子を経由して回転子巻線ユニット３６に電気を送電するために、該整流子とのすり接触を行うように、固定子４０に対して固定された４つのブラシ６０も備える。固定子鉄心４２は左右対称である。主極５０と補助極５２は突出極（salient pole）であり、それぞれ、ヨークから内側に放射状に伸びるネック（neck）５４と、該ネック５４から円周状に伸びる磁極片（pole shoe）５６とを含む。各磁極片５６は、モーター２０に面する連続的な弧状面（continuous arced surface）を形成する。同時に、該磁極片は断続的な円筒壁（intermittent cylindrical wall）を形成する。

円周方向において、主極５０のネックは、補助極５２のネックよりも狭い。半径方向において、第一部分４６は第二部分４８よりも狭く、第一部分４６と主極５０の磁極片５６との間の距離は、第二部分４８と補助極５２の磁極片５６との間の距離よりも大きい。このように、より大きな空間は、固定子巻線４４を収容するために、第一部分４６と主極５０との間に形成される。上述した円周方向と半径方向については、円形または円柱構造に対してだけでなく、正方形や楕円形などのような他の形状も、本発明の範囲に含まれることを理解されるべきである。

固定子巻線４４が通電したとき、同じ極性を伴う２つの主磁極は、固定子巻線４４によって、２つの主極５０において生じ、主磁極の極性とは反対となる極性であって、同じ極性を伴う２つの誘導された磁極は、２つの補助極５２において生じる。つまり、図２に示されるように、４つの磁極と４つの磁路が形成される。各磁路は、主極５０、固定子ヨーク、補助極５２、補助極５２と回転子２０との間の空隙（air gap）、回転子２０、主極５０と回転子との間の空隙を通り抜ける。

実施形態において、回転子２０は外径Ｄを有し、固定子４０は最小外のり寸法Ｙし、外径Ｄと最小外のり寸法Ｙとの比率は、７：１０よりも大きい。回転子２０の外径は、回転子鉄心２４の外径を意味する。固定子４０の最小外のり寸法は、固定子４０の中心を通って伸びる直線と、固定子鉄心４２の外縁との２つの交点間の距離を意味する。

回転子２０の外径Ｄは、極５０と５２の磁極片の弧状面（arced surface）によって定められる円の直径よりも、わずかに小さく、また、当該円と回転子２０の最小外径との比率は、７：１０よりも大きい。主極５０と回転子鉄心４２との間の距離は、補助極５２と回転子鉄心４２との間の距離と等しいか、または、異なることもあり得ると理解すべきである。当該２つの距離が異なっている場合、主極５０の磁極片の弧状面と補助極５２の磁極片の弧状面は、異なる直径の２つの円を定める。この構成において、円の直径とは、より小さい方の円の直径を意味する。

好ましい実施形態では、補助極５２は、突出極として形成されるように、第二部分４８の内側から内部に突き出る。あるいは、補助極５２は、第二部分４８の内側に対して埋め込まれた非突出極（non-salient pole）として、形成することもできる。補助極５２が突出極である場合、それらは、それらに巻かれた固定子巻線をも備えることもでき、補助極５２に巻かれた当該固定子巻線は、主極５０に巻かれた固定子巻線４４よりも少ない巻数とすることもできる。

本発明における回転子巻線ユニットの好ましい巻き型を、おおまかに説明する。説明を簡単にするために、整流子のセグメント（すなわち、バー）３０は、Ｚ１〜Ｚｍで表され、回転子鉄心２４の巻線溝２８は、Ｓ１〜Ｓｎで表され、回転子２０の回転子巻線ユニット３６は、Ｗ１〜Ｗｍで表される。そして、固定子磁極の数は２Ｐである。バーＺｋは、回転子巻線ユニットＷｋを経由して、バーＺ（ｋ＋１）に電気的に接続され、バーＺｍは、回転子巻線ユニットＷｍを経由して、バーＺ１に電気的に接続される。各巻線ユニットＷｉは、第一サブコイルＷｉａと、当該第一サブコイルＷｉａと直接直列に接続され、少なくとも１つの歯によって当該第一サブコイルＷｉａから分離した、第二サブコイルＷｉｂとを含む。第一サブコイルＷｉａと第二サブコイルＷｉｂは、一対の隣接したバーに、それぞれ接続される。歯数（tooth number）ｑは、コイルが巻かれた、歯の数である。第一サブコイルＷｉａの歯数ｑは、第二サブコイルＷｉｂの歯数ｑと等しい。歯数ｑは、式｜ｑ−ｎ／２Ｐ｜＜１を満足する整数である。ただし、ｎ／２Ｐは磁極ピッチ（pole pitch）である。上記説明において、Ｐは１よりも大きい整数であり、ｍとｎはＰよりも大きい偶数であり、

、

、ｍのｎに対する比率は、１，２または３となり得る。好ましくは、ｍのｎに対する比率は２であり、ｑはｎ／２Ｐよりも小さい整数である。

好ましい実施形態において、回転子巻線ユニットの巻き型は、ここで図３と図４を参照して詳細に説明する。図３は、巻線の線図であり、最上部の列は、固定子で支えられる４つのブラシＣ１〜Ｃ４を表し、２番目の列は、整流子の３６個のセグメントＺ１〜Ｚ３６を表し、３番目の列は、回転子鉄心の１８個の歯と、当該歯によって形成された１８個の巻線溝Ｓ１〜Ｓ１８を表し、４番目の列は、固定子の４つの極を表す。図４は、回転子巻線ユニットの巻き型を表にしたテーブルであり、巻線の方向から見ると、“スロットイン”とは、回転子巻線ユニットの各サブコイルが巻き込まれた、第一巻線溝を意味し、“スロットアウト”とは、当該サブコイルが巻き込まれた、第二巻線溝を意味する。

バーＺ１は、回転子巻線ユニットＷ１を経由してバーＺ２に電気的に接続される。回転子巻線ユニットＷ１は、互いに直列に直接接続された第一サブコイルＷ１ａと、第二サブコイルＷ１ｂとを有する。第一サブコイルＷ１ａは、巻線溝Ｓ５とＳ１の間の歯に巻かれ、第二サブコイルＷ１ｂは、巻線溝Ｓ６とＳ２の間の歯に巻かれる。第一サブコイルＷ１ａは、第二サブコイルＷ１ｂと同じ巻き方向であり、両方とも図３に示すように時計回り方向であり、両サブコイルとも、４つの歯にまたがる。

バーＺ２は、回転子巻線ユニットＷ２を経由してバーＺ３に電気的に接続される。回転子巻線ユニットＷ２は、互いに直列に直接接続された第一サブコイルＷ２ａと、第二サブコイルＷ２ｂとを有する。第一サブコイルＷ２ａは、巻線溝Ｓ６とＳ１０の間の歯に巻かれ、第二サブコイルＷ２ｂは、巻線溝Ｓ７とＳ１１の間の歯に巻かれる。第一サブコイルＷ２ａは、第二サブコイルＷ２ｂと同じ巻き方向であるが、巻線ユニットＷ１のサブコイルＷ１ａとＷ１ｂの巻き方向とは反対である。

バーＺ１とＺ２の電気的接続と同じように、バーＺ３は、回転子巻線ユニットＷ３を経由してバーＺ４に電気的に接続される。回転子巻線ユニットＷ３は、互いに直列に直接接続された第一サブコイルＷ３ａと第二サブコイルＷ３ｂとを有する。第一サブコイルＷ３ａは、巻線溝Ｓ６とＳ２の間の歯に巻かれ、第二サブコイルＷ３ｂは、巻線溝Ｓ７とＳ３の間の歯に巻かれる。サブコイルＷ１ａとＷ１ｂと同様に、サブコイルＷ３ａとＷ３ｂも、時計回り方向に巻かれる。

バーＺ２とＺ３の電気的接続と同じように、バーＺ４は、回転子巻線ユニットＷ４を経由してバーＺ５に電気的に接続される。回転子巻線ユニットＷ４は、互いに直列に直接接続された第一サブコイルＷ４ａと第二サブコイルＷ４ｂとを有する。第一サブコイルＷ４ａは、巻線溝Ｓ７とＳ１１の間の歯に巻かれ、第二サブコイルＷ４ｂは、巻線溝Ｓ８とＳ１２の間の歯に巻かれる。サブコイルＷ２ａとＷ２ｂと同様に、サブコイルＷ４ａとＷ４ｂは、反時計回り方向に巻かれる。

回転子２０の他の回転子巻線ユニット３６は、上述した工程を繰り返すことで形成される。すなわち、回転子巻線ユニット３６の２つのサブコイルは、１つの歯によってお互いから分離され、同じ方向に巻かれる。そして、同じバーに直接接続された２つの回転子巻線ユニット３６は、反対方向に巻かれ、回転子巻線ユニットＷ（ｊ＋２）は、１つの歯によって回転子巻線ユニットＷｊから分離される。ただし、

である。

従来のユニバーサルモーターでは、整流子セグメントのそれぞれのペアは、ただ１つのサブコイルを伴う巻線を経由して互いに接続され、整流コイル（commutating coil）で生じる誘導起電力（induction electromotive force）は、回転子巻線ユニットの全巻数ｘの二乗に正比例する。本発明では、セグメントのそれぞれのペアは、２つのサブコイルを伴う巻線ユニットを経由して互いに接続され、整流コイルで生じる誘導起電力は、

に正比例する。ただし、

と

は、それぞれ２つのサブコイルの巻数である。ｘが

、に等しいとすると、本発明における整流コイルの誘導起電力は、より小さくなる。したがって、整流性能は改善され、モーターの寿命を長くすることができる。さらに、２つのセグメントに接続された各回転子巻線ユニットの２つのサブコイルは、より多くの巻線溝に巻かれるので、巻き工程（winding process）における初期巻線不均衡（initial wining unbalance）を最適化することができる。

さらに、本発明の実施形態では、それぞれの磁束通路（flux path）は、隣接する主固定子極（primary stator pole）と補助固定子極（auxiliary stator pole）を通過するので、磁束通路は縮小され、最適化される。それゆえに、本発明のユニバーサルモーターは、同じ出力を備える既存のユニバーサルモーターと比較して、縮小した固定子鉄心と巻線材を有することもあり得る。

上記説明と本願の特許請求の範囲において、各動詞“〜から成る”、“〜を含む”、“〜を有する”、“〜を備える”と、その変形の動詞は、明言された項目（stated item）の存在を明示するが、付加的な項目（additional item）の存在を排除しないように、包括的な意味（inclusive sense）で用いられる。

本発明は、１以上の実施形態に関して説明したが、様々な変更が可能であることは、当業者には十分に理解される。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲を参照することにより、決定されるべきである。

例えば、モーターのブラシの数は４つに限定されない。各回転子巻線ユニットは、２つよりも多いサブコイルを含むことも可能であり、同じ回転子巻線ユニットのサブコイルは、異なる巻数となることもあり得る。

Claims (14)

1. シャフトを有する回転子と、
   前記シャフトに固定され、複数の歯を有する回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心近傍のシャフトに固定され、複数のセグメントを有する整流子と、
   前記歯に巻かれ、前記セグメントに接続された回転子巻線ユニットと、
   前記回転子と磁気的に対となる固定子と、
   前記整流子との電気的すり接触を行うブラシとを含み、
   前記回転子巻線ユニットのそれぞれは、互いに直列に直接接続され、少なくとも１つの歯によって互いに分離された、少なくとも２つのサブコイルを含み、各回転子巻線ユニットの最初のサブコイルと最後のサブコイルは、それぞれ、一組の近接セグメントに直接接続されることを特徴とする電気モーター。
2. 前記回転子巻線ユニットのそれぞれは、互いに直列に直接接続され、１つの歯によって互いに分離された２つのサブコイルを含む、請求項１に記載の電気モーター。
3. 回転子巻線ユニットの前記少なくとも２つのサブコイルは、同じ巻数となる、請求項１または２に記載の電気モーター。
4. 回転子巻線ユニットの前記少なくとも２つのサブコイルは、異なる巻数となる、請求項１または２に記載の電気モーター。
5. 回転子巻線ユニットの前記少なくとも２つのサブコイルは、同じ方向に巻かれている、請求項１から４いずれか１項に記載の電気モーター。
6. 同じセグメントに直接接続された２つの回転子巻線ユニットは、反対方向に巻かれている、請求項１から５いずれか１項に記載の電気モーター。
7. セグメント数の歯数に対する比率は、１，２または３である、請求項１から６いずれか１項に記載の電気モーター。
8. 前記固定子は２Ｐ個の磁極を生じるように構成され、前記整流子はｍ個のセグメントを有し、回転子鉄心はｎ個の歯を有し、Ｐは１より大きい整数であり、ｍとｎはＰよりもより大きい偶数である、請求項１から７いずれか１項に記載の電気モーター。
9. Ｐは２に等しい、請求項８に記載の電気モーター。
10. 前記固定子は、
    ヨークを有する固定子鉄心であって、該ヨークは、第一部分から伸びる主極をそれぞれ備える、少なくとも２つの第一部分と、第二部分から伸びる補助極をそれぞれ備える、少なくとも２つの第二部分とを含み、前記少なくとも２つの主極と前記少なくとも２つの補助極は、前記固定子鉄心の円周方向に交互に配置され、前記主極はそれらに巻かれた固定子巻線を有する、固定子鉄心と、
    前記モーターが通電したときに、同じ極性を伴う主磁極が、前記少なくとも２つの主極において生じ、前記主磁極の極性とは正反対となる、同じ極性を伴う誘導磁極が、前記少なくとも２つの補助極において生じるように、構成される前記固定子巻線と
    を含むことを特徴とする請求項１から９いずれか１項に記載の電気モーター。
11. 前記第一部分は、前記第二部分よりも狭い、請求項１０に記載の電気モーター。
12. 前記補助極には固定子巻線がない、請求項１０または１１に記載の電気モーター。
13. 前記補助極はそれらに巻かれた固定子巻線を備え、前記補助極に巻かれた前記固定子巻線は、前記主極に巻かれた前記固定子巻線よりも少ない巻数となる、請求項１０または１１に記載の電気モーター。
14. 前記回転子の外径と前記固定子の最小外のり寸法との比率は、７：１０よりも大きい、請求項１から１３いずれか１項に記載の電気モーター。

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