JP2014036533A - ブラシ付き直流モータ及びそれを用いた車両用ブレーキシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
ブラシの数を４個とした場合においても、トルク脈動を抑制できるブラシ付き直流モータを提供する。
【解決手段】
２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を備えた固定子と、固定子に対して回転可能に保持され、周方向にＰ×Ｎ±２（但し、Ｎは４以上の偶数）個のティースを有した電機子コアと、電機子コアと一体回転するように保持され、ティースと同数の整流子片を有した整流子と、ティースに二重波巻で巻かれた巻線と、整流子に摺接配置された陽極及び陰極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータにおいて、各ブラシの整流子に摺接する幅角度ＷＢを、ＷＢ＞ＷＰ＋ＷＩ（但し、ＷＰ：整流子ピッチの幅角度、ＷＩ：整流子間の幅角度）を満たすように設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ブラシ付き直流モータに関するものである。

自動車の補機類に用いられるブラシ付き直流モータとして、６個の磁極と、偶数個のティースと、該ティースに波巻で巻かれた巻線を有したものが知られている。図８に、そのブラシ付き直流モータの断面（ＸＺ）図を示す。ブラシ付き直流モータはハウジング１００と、ハウジング内に固定された磁石１０２と、ベアリング１０７を用いてハウジング１００内で回転可能に支持されたシャフト１１０と、シャフト１１０と一体となって回転するコア１１２、巻線１１３及び整流子１１１と、整流子１１１に摺接可能に押しつけられたブラシ１０４を有する。また、ハウジング１００に固定されたフロントプレート１０１は、シャフト１１０を回転可能に支持するためのベアリング１０７と、ブラシ１０４を保持するためのブラシホルダ１０３を有している。

このようなティースの数が偶数のブラシ付き直流モータは、ティースの数が奇数のブラシ付き直流モータに比べて振動が小さい一方でトルク脈動が大きい。そのため、トルク脈動を低減する必要がある。そこで、特許文献１では、６個の磁極と、偶数個のティースと、該ティースに二重波巻で巻かれた巻線を有したブラシ付き直流モータにおいて、通常２個であるブラシの数を６個としている。

図９に、特許文献１と同様に、６個のブラシを備えた直流モータをシャフト１１０の回転軸方向から見たＸＹ断面図を示す。ハウジング１００の内周部に、略等間隔で６個の磁石１０２を配置することで、６個の磁極を形成している。整流子１１１は、絶縁材１１１ｂと、その外周部に周期的に配置された２０個の整流子片１１１ａを有する。この整流子片１１１ａに対し、その外周部から摺接するように６個のブラシ１０４が配置されている。６個のブラシ１０４は、回転方向に交互に等間隔で配置された陽極ブラシ１０５と陰極ブラシ１０６で構成されている。コア１１２は、シャフト１１０を中心として放射状に延び、周方向に周期的に配置された２０個のティース１１２ａと、ティース１１２ａを接続するコアバック１１２ｂを有する。周方向に隣り合うティース１１２ａの間はスロット１１４を形成し、巻線１１３が挿入される。巻線１１３は、複数のティース１１２ａに跨って巻かれたコイル１１３ａを複数有している。但し、図９は一つのコイル１１３ａのみ示している。

図１０に、図９に示したブラシ付き直流モータのティース１１２ａ及び、スロット１１４、巻線１１３、整流子片１１１ａ、ブラシ１０４を平面的に展開した模式図を示す。コイル１１３ａは、複数のティースに跨って巻かれ、その両端を異なる整流子に接続された導線を有している。例えば、導線の一端部が２番の整流子片１１１ａに接続されたコイル１１３ａは、Ｔ４〜Ｔ６のティース１１２ａに巻かれ、もう一方の端部が８番の整流子片１１１ａに接続されている。そして、前記８番の整流子片１１１ａに接続された導線は、続いてＴ１０〜Ｔ１２のティース１１２ａに巻かれ、もう一方の端部が１４番の整流子片１１１ａに接続される。これを繰り返すと、偶数番目の整流子片１１１ａに対してはコイル１１３ａが接続される。次に、接続される整流子片１１１ａの位置を一つずらして、同様にコイル１１３ａを巻くことで、奇数番目の整流子片１１１ａに対してコイル１１３ａが接続される。このようにして、全てのティース１１２ａに対してコイル１１３ａが巻かれ、この結線状態を二重波巻と言う。

一般に、ブラシ付き直流モータにおいて、陽極ブラシから陰極ブラシに流れる電流がトルクを生みだす一方で、同極ブラシ間で閉回路を構成するコイルはトルクに寄与しない無効コイルとなる。そのため、その無効コイルの数がコア１１２の回転と共に変化する事がトルク脈動の原因となる。図１０においては、図中の太線で表わされるコイル１１３ａが無効コイルとなり、陽極ブラシ間の無効コイルの数は合計で２個である。この陽極ブラシ間の無効コイルはコア１１２の回転に伴い２個→１個→２個→１個と周期的に変化し、その変化幅が１と小さいため低トルク脈動となると、特許文献１では述べられている。

特開２０１０−２７３５３２号公報

特許文献１のように、６個の磁極と偶数個のティースと、波巻で巻かれた巻線を備えたブラシ付き直流モータにおいて、トルク脈動を小さくするためにブラシの数を６個とすると、陽極ブラシと陰極ブラシが周方向に交互に並ぶため、電源配線が複雑化する。一方、図１１に示すようにブラシの数を６個から４個に減らすと、ブラシの数が６個であった場合に比べてトルク脈動が増大する。

そこで、本発明は、ブラシの数を４個とした場合においても、トルク脈動を抑制できるブラシ付き直流モータを提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を備えた固定子と、前記固定子に対して回転可能に保持され、周方向にＰ×Ｎ±２（但し、Ｎは４以上の偶数）個のティースを有した電機子コアと、前記電機子コアと一体回転するように保持され、前記ティースと同数の整流子片を有した整流子と、前記ティースに二重波巻で巻かれた巻線と、前記整流子に摺接配置された陽極及び陰極ブラシをそれぞれ２個備えた直流モータにおいて、前記各ブラシの整流子に摺接する幅角度ＷＢをＷＢ＞ＷＰ＋ＷＩ（但し、ＷＰ：整流子ピッチの幅角度、ＷＩ：整流子間の幅角度）を満たすように設定する。

本発明によれば、ブラシの数を４個としても、ブラシ幅角度をある幅角度より広くとることで、無効コイル数の変化の割合（但し、無効コイル数の変化の割合は（最大無効コイル数−最小無効コイル数）／最小無効コイル数とする）が１以下となるため、トルク脈動を抑制する事が出来る。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

実施例１のブラシ付き直流モータを平面上に展開した模式図 実施例１のブラシ付き直流モータにおいて、ブラシの幅角度を２４度とした場合の、無効コイル数と時間変化の関係 実施例１における無効コイル数の変化の割合とブラシ幅角度の関係 実施例２のブラシ付き直流モータにおいて、ブラシの幅角度を１６度とした場合の、無効コイル数と時間変化の関係 実施例２における、無効コイル数の変化の割合とブラシ幅角度の関係 実施例１もしくは実施例２と同等の効果を得られる極数とティース数の組み合わせの例 本発明のブラシ付き直流モータを用いた車両用ブレーキシステムの概略図 ブラシ付き直流モータのＸＺ断面図 ６個のブラシを有した直流モータの軸方向（ＸＹ）断面図 従来技術のブラシ付き直流モータを平面上に展開した模式図 ４個のブラシを有した直流モータの軸方向（ＸＹ）断面図

（実施例１）
図１に、本発明の実施例１のブラシ付き直流モータのティース１１２ａ及び、スロット１１４、巻線１１３、整流子片１１１ａ、ブラシ１０４を平面的に展開した模式図を示す。但し、図示しない磁極の数を２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個とし、またティースの数はＰ×Ｎ±２（但し、Ｎは４以上の偶数）個であればよい。本実施例では、Ｐ＝３、Ｎ＝６として、磁極の数を６個、ティースの数を２０個とした。コイル１１３ａは、図１０と同様に、二重波巻で巻かれている。このようにして構成されたブラシ付き直流モータにおいて、４つのブラシ１０４の整流子片１１１ａに摺接される周方向の各幅角度ＷＢが、整流子片１１１ａの配置される周方向の周期の幅角度をＷＰ、隣り合う整流子片１１１ａ間の周方向の幅角度をＷＩとして、ＷＢ＞ＷＰ＋ＷＩを満たすように設定されている。

なお、前記ＷＢ、ＷＰ、ＷＩ及び隣り合う異極ブラシの周方向の幅角度ＬＢに関しては、図１に部分的に拡大して示している。本実施の形態では、ＷＰ＝１８度、ＷＩ＝２度、ＬＢ＝６０度であるため、例えばブラシの幅角度を２４度とすると、上記ブラシ幅角度ＷＢに関する関係式を満たす。

図２に、本実施例における陽極ブラシ間の無効コイル１１３ａの数Ｎｓの時間変化の詳細を示す。但し、コア１１２の回転を、ブラシ１０４の位置を移動させることで模擬する事とする。図２（ａ）に示すように、陽極ブラシ１０５ｂが整流子片１１１ａ間の周方向の略中心に位置する場合、もう一方の陽極ブラシ１０５ａも２つの整流子片１１１ａに摺接しており、陽極ブラシ間で陽極ブラシと接触していない整流子片１１１ａの数は５個となる。この時、図中の太線で表わされるコイル１１３ａが無効コイルとなり、無効コイルの合計３個である。次に、図２（ｂ）に示すように、コア１１２が僅かに回転し、陽極ブラシ１０５ａが三つの整流子片１１１ａに摺接する場合、無効コイルは合計４個となる。さらにコア１１２が僅かに回転すると、図２（ｃ）に示すように、２つの陽極ブラシ１０５がそれぞれ２つの整流子片１１１ａと接触し、陽極ブラシ間で陽極ブラシと接触していない整流子片１１１ａの数は４個となる。この時、無効コイルは合計２個となる。さらにコア１１２が僅かに回転し、図２（ｄ）に示すように、陽極ブラシ１０５ｂが三つの整流子片１１１ａに摺接する場合、無効コイルは合計４個となる。さらにコア１１２が僅かに回転すると、図２（ａ）と同様の状態となり、コア１１２が整流子ピッチＷＰ分回転した事となり、以後はこれの繰り返しとなる。このようにして、コア１１２が回転している間に陽極ブラシ間の無効コイルの数は３個、４個、２個、４個を繰り返す事となる。

図３に、本発明の実施例１と同様に、２×Ｐ個の磁極と、Ｐ×Ｎ±１個のティースと、４個のブラシと二重波巻で巻かれた巻線を有するブラシ付き直流モータの、陽極ブラシ間の無効コイル数の時間変化のブラシ幅依存性をまとめる。この時、ブラシ幅を変えた場合のトルク脈動に関しては、無効コイル数の変化の割合（（最大無効コイル数−最小無効コイル数）／最小無効コイル数）に依存する。

背景技術で示した通り、ブラシの数を６個とした従来技術においては無効コイル数の変化の割合は（２−１）／１より１である。ブラシの数を４個とした場合、ブラシの幅角度をＷＰ＋ＷＩより大きくする事で、無効コイル数の変化の割合が１以下となるため、ブラシの数が６個の場合と同等の低トルク脈動を実現できる。また、ブラシ数を４個とできることから、電源配線が簡単になり、コストを低減させることもできる。
（実施例２）
図４に、本発明の実施例２のブラシ付き直流モータのティース１１２ａ及び、スロット１１４、巻線１１３、整流子片１１１ａ、ブラシ１０４を平面的に展開した模式図を示す。但し、図示しない磁極の数を２×Ｐ個とし、またティースの数はＰ×Ｎ−１個であればよい。本実施例では、Ｐ＝３、Ｎ＝７として、磁極の数を６個、ティースの数を２０個とした。導線の一端部が２番の整流子片１１１ａに接続されたコイル１１３ａは、Ｔ４〜Ｔ６のティース１１２ａに巻かれ、もう一方の端部が９番の整流子片１１１ａに接続されている。そして、前記９番の整流子片１１１ａに接続された導線は、続いてＴ１１〜Ｔ１３のティース１１２ａに巻かれ、もう一方の端部が１６番の整流子片１１１ａに接続される。これを繰り返すことで、複数のコイル１１３ａが連続的に全てのティース１１２ａに巻かれ、この結線状態を一重波巻と言う。このようにして構成されたブラシ付き直流モータにおいて、４つのブラシ１０４の整流子片１１１ａに摺接される周方向の各幅角度ＷＢが、ＷＢ＞ＷＰ×（Ｎ＋１）／２＋ＷＩ−ＬＢを満たすように設定されている。本実施の形態では、ＷＰ＝１８度、ＷＩ＝２度、ＬＢ＝６０度であるため、例えばブラシの幅角度を１６度とすると、上記ブラシ幅角度ＷＢに関する関係式を満たす。

次に、図４を用いた、本実施例における陽極ブラシ間の無効コイル１１３ａの数Ｎｓの時間変化の詳細を述べる。図４（ａ）に示すように、陽極ブラシ１０５ｂが整流子片１１１ａ間の周方向の略中心に位置する場合、もう一方の陽極ブラシ１０５ａは２つの整流子片１１１ａに摺接しており、陽極ブラシ間で陽極ブラシと接触していない整流子片１１１ａの数は５個となる。この時、図中の太線で表わされるコイル１１３ａが無効コイルとなり、無効コイルは合計４個である。次に、図４（ｂ）に示すように、コア１１２が僅かに回転し、陽極ブラシ１０５ａが一つの整流子片１１１ａに摺接する場合、無効コイルは合計３個となる。さらにコア１１２が僅かに回転すると、図４（ｃ）に示すように、２つの陽極ブラシ１０５がそれぞれ２つの整流子片１１１ａと接触し、陽極ブラシ間で陽極ブラシと接触していない整流子片１１１ａの数は４個となる。この時、無効コイルは合計５個となる。さらにコア１１２が僅かに回転し、図４（ｄ）に示すように、陽極ブラシ１０５ｂが一つの整流子片１１１ａに摺接する場合、無効コイルは合計３個となる。さらにコア１１２が僅かに回転すると、図４（ａ）と同様の状態となり、コア１１２が整流子ピッチＷＰ分回転した事となり、以後はこれの繰り返しとなる。このようにして、コア１１２が回転している間に無効コイルの数は４個、３個、５個、３個を繰り返す事となる。

図５に、本発明の実施例２と同様に、２×Ｐ個の磁極と、Ｐ×Ｎ−１個のティースと、４個のブラシと一重波巻で巻かれた巻線を有するブラシ付き直流モータの、陽極ブラシ間の無効コイル数の時間変化のブラシ幅依存性をまとめる。一重波巻の場合、ブラシの幅角度をＷＰ×（Ｎ＋１）／２−ＬＢ＋ＷＩよりも大きくすることで、無効コイル数の変化の割合を１以下とする事が出来、６ブラシと同等の低トルク脈動を実現する事が出来る。

また、磁極の数を２×Ｐ個、ティースの数をＰ×Ｎ＋１個、巻線を一重波巻で巻いた場合は、ブラシの幅角度をＷＰ×（Ｎ＋１）−（１８０−ＬＢ）＋ＷＩよりも大きくすることで、同様の効果を得る事が出来る。

図６に、本実施例と同等の効果を得られる磁極の数とティースの数、結線状態の組み合わせの例を示す。磁極の数が６個、ティースの数が２０個の組み合わせとすることで、磁極の数とティースの数の最小公倍数が６０となり、例えば磁極の数を４個、ティースの数を１３個（磁極の数とティースの数の最小公倍数が５２）とした現行製品に比べて、コギングトルク脈動が小さくなる。ティースの数を１６個以下とすると、ティースの数を２０個とした場合に比べて一つのブラシ幅角度を広くする事が出来るため、ブラシの電流密度が低下し、ブラシの温度上昇を抑える事が出来る。また、ティースの数を２２個以上とすると、ティースの数を２０個とした場合に比べて、さらにコギングトルク脈動を小さくする事が出来る。
（実施例３）
図７を用いて、本発明のブラシ付き直流モータを用いた車両用ブレーキシステムの実施例を述べる。４輪車両に取り付けられたブレーキペダル２１に入力された力が、マスターシリンダー２２により油圧に変換される。但し、ブレーキペダル２１に入力された力はシャフト等を介してマスターシリンダー２２に伝えても、ブレーキペダル２１に入力された力を電気信号に変えてマスターシリンダー２２に伝えてもよい。直接マスターシリンダー２２で生成された油圧は、油圧配管２３を介して油圧制御ユニット２４に送られる。油圧制御ユニット２４は、ブラシ付き直流モータ及びポンプ部、電子制御部を備えている。油圧制御ユニット２４において、油圧が分配され、４輪それぞれに取り付けられた車輪制動装置２５に伝達され、車両の制動力を生み出す。この際、車両の挙動に応じて油圧制御ユニット２４により油圧の加圧や減圧を行うことで、車両の姿勢を安定させる。この油圧制御ユニット２４に本発明のブラシ付き直流モータを用いることで、油圧制御ユニット２４から吐出される油圧の時間変動を小さくする事が出来る。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００ ハウジング
１０１ フロントプレート
１０２ 磁石
１０３ ブラシホルダ
１０４ ブラシ
１０５ 陽極ブラシ
１０６ 陰極ブラシ
１０７ ベアリング
１１０ シャフト
１１１ 整流子
１１１ａ 整流子片
１１１ｂ 絶縁材
１１２ コア
１１２ａ ティース
１１２ｂ コアバック
１１３ 巻線
１１３ａ コイル
１１４ スロット
２１ ブレーキペダル
２２ マスターシリンダー
２３ 油圧配管
２４ 油圧制御ユニット
２５ 車輪制動装置

Claims (8)

1. ２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を備えた固定子と、
   前記固定子に対して回転可能に保持され、周方向にＰ×Ｎ±２（但し、Ｎは４以上の偶数）個のティースを有した電機子コアと、
   前記電機子コアと一体回転するように保持され、前記ティースと同数の整流子片を有した整流子と、
   前記ティースに二重波巻で巻かれた巻線と、
   前記整流子に摺接配置された陽極及び陰極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータであって、
   前記各ブラシの整流子に摺接する幅角度ＷＢが、ＷＢ＞ＷＰ＋ＷＩ（但し、ＷＰ：整流子ピッチの幅角度、ＷＩ：整流子間の幅角度）を満たすように設定されたブラシ付き直流モータ。
2. ２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を備えた固定子と、
   前記固定子に対して回転可能に保持され、周方向にＰ×Ｎ−１（但し、Ｎは５以上の奇数）個のティースを有した電機子コアと、
   前記電機子コアと一体回転するように保持され、前記ティースと同数の整流子片を有した整流子と、
   前記ティースに一重波巻で巻かれた巻線と、
   前記整流子に摺接配置された陽極及び陰極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータであって、
   前記各ブラシの整流子に摺接する幅角度ＷＢが、ＷＢ＞ＷＰ×（Ｎ＋１）／２−ＬＢ＋ＷＩ（但し、ＷＰ：整流子ピッチの幅角度、ＷＩ：整流子間の幅角度、ＬＢ：隣り合う異極ブラシ間の幅角度）を満たすように設定されたブラシ付き直流モータ。
3. ２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を備えた固定子と、
   前記固定子に対して回転可能に保持され、周方向にＰ×Ｎ＋１（但し、Ｎは５以上の奇数）個のティースを有した電機子コアと、
   前記電機子コアと一体回転するように保持され、
   前記ティースと同数の整流子片を有した整流子と、
   前記ティースに一重波巻で巻かれた巻線と、
   前記整流子に摺接配置された陽極及び陰極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータであって、前記各ブラシの整流子に摺接する幅角度ＷＢが、ＷＢ＞ＷＰ×（Ｎ＋１）−（１８０−ＬＢ＋ＷＩ（但し、ＷＰ：整流子ピッチの幅角度、ＷＩ：整流子間の幅角度、ＬＢ：隣り合う異極ブラシ間の幅角度）を満たすように設定されたブラシ付き直流モータ。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載のブラシ付き直流モータであって、
   磁極の数を６個としたブラシ付き直流モータ。
5. 請求項４に記載のブラシ付き直流モータであって、
   ティースの数を２０個としたブラシ付き直流モータ。
6. 請求項４に記載のブラシ付き直流モータであって、
   ティースの数を１６個以下としたブラシ付き直流モータ。
7. 請求項４に記載のブラシ付き直流モータであって、
   ティースの数を２２個以上としたブラシ付き直流モータ。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つに記載のブラシ付き直流モータを有した車両用ブレーキシステム。