JP2014209823A - 直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、従来の高抵抗ブラシを用いることなく、ブラシ放電を有効に防止することができる直流モータを提供することにある。
【解決手段】隣り合う整流子片４Ｂ，４Ｂが絶縁スリットを介在して回転周方向に整列している整流子４と、この整流子４と摺接するブラシ本体１１と、を備えた直流モータに関する。整流子４及びブラシ本体１１の近傍には、整流子４とブラシ本体１１との接触部位に生じる放電方向に対して直交する方向に走る磁場を発生させる磁束発生部材４１が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流モータに係り、特に、ブラシ装置を備えるとともに整流火花消弧構造が採用された直流モータに関するものである。

一般に直流モータなどでは、ブラシ装置を用いて整流子への整流を行っている。
このブラシ装置には、厚み方向に沿って付勢されて整流子と当接するブラシ本体が備わっており、かかるブラシ本体が整流子と当接することによって整流が行われる。
ところで、電気装荷を高める設計として、直流モータには小型化が要求されるが、電機子コイルのインダクタンスが大きくなることにより整流時の電流変化が非常に遅れて整流悪化することがあった。

このような場合、整流終了時において電流変化が大きくなる結果、大きなリアクタンス電圧が発生し、ブラシ本体と整流子との間に火花放電（アーク放電）が発生してしまうことがある。
この火花放電は、整流子表面を粗くして、整流子表面に凹凸面を形成してしまうため、ブラシ本体の磨耗量が大きくなり、機器寿命を著しく減少させることとなる。
更に、このような状態においては、ブラシ本体の振動音が大きくなり騒音問題が発生する等、モータの品質に関わる問題となっている。

火花放電を抑制する方法としては、ブラシ本体の抵抗を高くする抵抗整流が一般的である。
しかし、高抵抗のブラシ本体を用いるとモータの効率が低下してしまう。
また、この対策として、整流子の回転方向に高抵抗の部分と低抵抗の部分を層状に重ねてブラシ本体を構成し、整流不足が生じる整流後期には、ブラシ本体のうち、高抵抗の部分を整流子と接触させるブラシ装置も提案されている。
しかし、モータの使用時間の経過に伴ってブラシ本体が徐々に磨耗すると、磨耗量に応じて、整流子に向けてブラシ本体に作用する付勢力が小さくなることとなり、この結果、ブラシ本体と整流子間の接触抵抗が大きくなり、ブラシの磨耗状態により整流及びモータの出力特性に差異が生じるという問題が生じていた。
このため、このような問題を解決するための技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１は、積層ブラシに関する技術が開示されている。
特許文献１に記載の積層ブラシは、高抵抗ブラシを使用する高抵抗整流の改良技術であり、整流子側から、低抵抗材→中抵抗材→高抵抗材の順に積層されて構成されている。
そして、付勢手段による整流子への付勢の方向を、整流子回転方向上流側に向かうように調整する。

特開２０１２−２０５４００号公報

このように、特許文献１に記載されたような高抵抗ブラシモータによれば、確かに、付勢手段から付加される押付け荷重による面圧は整流子回転上流側が高くなり、整流子回転下流側が低くなるよう調整できるため、整流子回転上流側におけるブラシ本体と整流子の接触抵抗値は低くなり、整流子回転下流側におけるブラシ本体と整流子との接触抵抗値は高くなる。
この結果、整流後期には、整流子回転下流方向への低い押付け荷重により接触抵抗が高い状態でブラシ本体と整流子が摺接するため、抵抗整流が実現されて不足整流が防止され、火花放電が有効に防止される。
しかし、このような高抵抗ブラシを用いる整流のおいては、高抵抗により電流損失が生じ、性能がダウンするという問題があった。
このため、従来のような高抵抗ブラシを使用することなく、ブラシ本体と整流子との間に火花放電（アーク放電）が発生することを防止して良好な整流を行う技術が強く求められていた。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、従来の高抵抗ブラシを用いることなく、ブラシ放電を有効に防止することができる直流モータを提供することにある。

上記課題は、本発明に係る直流モータによれば、隣り合う整流子片が絶縁スリットを介在して回転周方向に整列している整流子と、該整流子と摺接するブラシ本体と、を備えた直流モータであって、前記整流子及び前記ブラシ本体の近傍には、前記整流子と前記ブラシ本体との接触部位に生じる放電方向に対して直交する方向に走る磁場を発生させる磁束発生部材が備えられていることにより解決される。

このように構成されていることにより、ブラシ本体の整流子摺接面で発生する放電方向（アーク放電の発生方向）と直交する向きに磁束を走らせることができる。
このため、放電方向に沿って飛んでいる電子にローレンツ力が付加されることとなり、このローレンツ力により、電子の進路が変わる。
よって、放電方向が変化（直線方向から、迂回路として放物線を描くように変化）することとなり、放電距離が増加する。
これにより、空間中でのエネルギー消費が増加し、消弧が早くなる。
また、整流子片とブラシ本体との電子授受によるエネルギー負担割合が減少するため、整流子及びブラシ本体が受けるダメージを大幅に軽減することができる。

このとき具体的には、請求項２のように、前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、前記磁束発生部材は、前記基部に埋設されていると好適である。
このように構成されることで、確実かつ簡易に磁束を発生させることができる。
これは、例えば、整流子の基部として使用される樹脂に、磁石等の磁束発生部材をインサート成形することによって実現される。
この磁束発生部材は、フェライトや希土類の焼結磁石等を使用することができる。
また、これに限らず、ボンド磁石と樹脂の多層成形等の方法がとられていてもよい。

また、同様に他の具体例としては、請求項３のように、前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、前記磁束発生部材は、前記整流子の外部であって前記ブラシ本体に近接する位置に備えられていると好適である。
このように構成されていると、アーク放電による火花が発生しやすい位置に近接して磁石と配設することができるとともに、確実かつ簡易に磁束を発生させることができる。
また、整流子の外に磁束発生部材が配設されるために、後付けやメンテナンス等も容易となる。

更に、同様に他の具体例としては、請求項４のように、前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、前記磁束発生部材は、前記基部の内部及び前記ブラシ本体の近接位置、双方に備えられていると好適である。
このように構成されていると、より強い磁束を発生させることができ、より確実に磁束経路を形成することができるため好適である。

また更に、具体例としては、請求項３又は請求項４に記載の直流モータにおいて、請求項５のように、前記ブラシ本体の近接位置に配置される前記磁束発生部材は、軸方向若しくは軸方向に垂直な方向にブラシ本体を挟み込むように配設されると好適である。
このように構成されていると、整流子片とブラシ本体との摺接面により強い磁束を発生させることができるため好適である。
このとき、ブラシ本体は、Ｓ極とＮ極とで挟み込まれる。

また更に、同様に他の具体例としては、請求項６のように、前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、磁性体で構成された磁束整流部材を更に備え、前記磁束発生部材は、前記基部の内部及び前記ブラシ本体の近接位置のどちらか一方に備えられるとともに、前記磁束整流部材は他方に備えられていると好適である。

このように構成されていると、磁束整流部材で磁路を形成することができるために、磁束方向のコントロールが容易となり、確実に目的の場所及び方向に磁束を集めることができる。
また、磁束発生部材の起磁力による磁束を高めることができるため、パーミアンスが向上する。

また、請求項６の直流モータにおいて、請求項７のように、前記磁束整流部材は、前記基部に埋設された鉄製コア部材若しくは前記ブラシ本体に近接して配置された鉄製コア部材のいずれかであるよう構成されていると好適である。
また、具体的には、請求項７の直流モータにおいて、請求項８のように前記ブラシ本体に近接して配置された前記鉄製コア部材は、矩形平板状の磁路底部と、該磁路底部の相対向する辺から同方向に各々立上る磁路側壁とを有して構成されており、両前記磁路側壁の自由端側は、前記整流子片側に配設されると好適である。
このように構成されていると、磁束整流部材にて、磁路を適切に形成することができ、目的の場所及び方向に確実に磁束を集めることができる。

更に、請求項７又は請求項８の直流モータにおいては、請求項９のように、前記磁束整流部材には、磁束を発生する機能もまた付加されており、前記鉄製コア部材に磁石を搭載した構成若しくは前記鉄製コア部材に巻線を巻回して電磁石とした構成のいずれかの構成がとられていると好適である。

また、請求項２の直流モータにおいて、請求項１０のように、前記磁束発生部材は、リング状の磁石塊、磁石塊が複数個整列してリング状を形成した磁石ブロック、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であると好適である。
更に、請求項３の直流モータにおいては、請求項１１のように、前記磁束発生部材は、磁石塊、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であると好適である。
また更に、請求項４又は請求項６の直流モータにおいては、請求項１２のように、前記磁束発生部材は、前記基部の内部に備えられる側は、リング状の磁石塊、磁石塊が複数個整列してリング状を形成した磁石ブロック、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であり、前記整流子の外部であって前記ブラシ本体に近接する位置に備えられる側は磁石塊、鉄製コアに磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であると好適である。

本発明によれば、磁束発生部材（磁石塊、分割磁石、電磁石等）を使用して、ブラシ本体の整流子摺接面で発生する放電方向（アーク放電の発生方向）と直交する向きに磁束を発生させることにより、放電方向に沿って飛んでいる電子にローレンツ力を付加することができる。
そして、このローレンツ力により、電子の進路を変化させて、放電方向を直線方向から、迂回路として放物線を描くように変化させることができる。
このように、放電距離が増加するため、空間中でのエネルギー消費が増加し、消弧を早めることができる。
また、整流子片とブラシ本体との電子授受によるエネルギー負担割合が減少するため、整流子及びブラシ本体が受けるダメージを大幅に軽減することができる。
以上のように、本発明によれば、従来の高抵抗ブラシを用いることなく、ブラシ放電を有効に防止することができる。
よって、良好な整流を実現させることが可能となり、火花放電を防止することができるとともに、耐久性の向上、電磁ノイズの低減、モータ出力特性の安定化を図ることが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るモータの概略構成を示す説明図である。 本発明の第一実施形態に係るブラシ本体の消弧構造（軸方向の磁束に対する）を示す説明図である。 本発明の第一実施形態に係るブラシ本体の消弧構造（軸方向と垂直な方向の磁束に対する）を示す説明図である。 本発明の第一実施形態に係る軸方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る分割磁束発生部材の軸方向と垂直な方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る磁束の流れとアーク放電経路を示した模式図である。 本発明の第一実施形態に係るリング磁石の軸方向と垂直な方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る分割磁石（軸方向と垂直な方向着磁）における磁石配向に関する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る電磁石の軸方向と垂直な方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図である。 本発明の第一実施形態に係る電磁石の軸方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材（軸方向着磁）の配設状態の斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材（軸方向着磁）の磁束状態を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材の磁束方向（軸方向着磁）とブラシ本体による整流子押圧方向との関係を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材を複数使用する例（軸方向着磁）を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材を複数使用する例（軸方向と垂直な方向着磁）を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材をコアに配設する例を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る外部磁束発生部材として電磁石を使用する例を示す説明図である。 本発明の第三実施形態に係る埋め込み式磁束発生部材と外部磁束発生部材との使用状態を示す説明図である。 本発明の第三実施形態に係る埋め込み式磁束発生部材と外部磁束発生部材との構成のバリエーションを示す説明図である。 本発明の第三実施形態に係る埋め込み式磁束発生部材と外部磁束発生部材とが双方起磁力を有する場合の説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、磁力を利用することによって、従来の高抵抗ブラシを用いることなく、ブラシ放電を有効に防止することができる直流モータに関するものである。

図１乃至図１０は、本発明の第一実施形態を示すものであり、図１はモータの概略構成を示す説明図、図２はブラシ本体の消弧構造（軸方向の磁束に対する）を示す説明図、図３はブラシ本体消弧構造（軸方向と垂直な方向の磁束に対する）を示す説明図、図４は軸方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図、図５は分割磁石の軸方向と垂直な方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図、図６は磁束の流れとアーク放電経路を示した模式図、図７はリング磁石の軸方向と垂直な方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図、図８は分割磁石（軸方向と垂直な方向着磁）における磁石配向に関する説明図、図９は電磁石の軸方向と垂直な方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図、図１０は電磁石の軸方向着磁（磁束発生部材埋め込み）構造に関する説明図である。
図１１乃至図１７は、本発明の第二実施形態を示すものであり、図１１は外部磁束発生部材（軸方向着磁）の配設状態の斜視図、図１２は外部磁束発生部材（軸方向着磁）の磁束状態を示す説明図、図１３は外部磁束発生部材の磁束方向（軸方向着磁）とブラシ本体による整流子押圧方向との関係を示す説明図、図１４は外部磁束発生部材を複数使用する例（軸方向着磁）を示す説明図、図１５は外部磁束発生部材を複数使用する例（軸方向と垂直な方向着磁）を示す説明図、図１６は外部磁束発生部材をコアに配設する例を示す説明図、図１７は外部磁束発生部材として電磁石を使用する例を示す説明図である。
図１８乃至図２０は、本発明の第三実施形態を示すものであり、図１８は埋め込み式磁束発生部材と外部磁束発生部材との使用状態を示す説明図、図１９は埋め込み式磁束発生部材と外部磁束発生部材との構成のバリエーションを示す説明図、図２０は埋め込み式磁束発生部材と外部磁束発生部材とが双方起磁力を有する場合の説明図である。

（第一実施形態）
図１により、本実施形態に係るモータＭの構成の一例について説明する。
本実施形態に係るモータＭは、整流子４周辺の構造を除いて、公知のブラシ付き直流モータの構成を採用したものである。
本実施形態に係るモータＭは、図１に示すように、出力軸となるシャフト１と、コイル２が形成された電機子３と、整流子４と、ブラシ装置Ｓと、を有して構成されている。

なお、本発明と直接的に関係がないため図示及び詳細な説明は省略するが、モータＭは、ヨークハウジングに被覆されており、その内壁面には、界磁機構を形成する永久磁石が貼付されている。
また、ヨークハウジングの開口部（動力出力側に配置される）は、エンドハウジングにより（シャフト１を突設させた状態で）被覆されており、このエンドハウジングに、整流子４及びブラシ装置Ｓが配置される。
また、このエンドハウジング及びヨークハウジングの動力出力側と反対側端部には軸受が各々配設されており、これら軸受でシャフト１が回転可能に支承される。

シャフト１は、前述の通り、図示しない軸受により回転自在にヨークハウジング及びエンドハウジングに支持されている。
シャフト１には電機子３が固定されるとともに、動力出力側には整流子４もまた固定されている。

整流子４は、シャフト１と一体的に一方向に回転する円筒状の部材であり、筒状の樹脂部である基部４Ａと、この基部４Ａの側面に、回転方向に沿って一定間隔毎に配置された複数の整流子片４Ｂとを備えて構成される。
この基部４Ａは、磁束発生部材４１が円環状に樹脂中に埋設された構成をとる。
この整流子４が回転することに伴って、ブラシ装置Ｓに備えられるブラシ本体１１と当接する整流子片４Ｂが切り替わることとなり、これにより、コイル２を流れる電流の向きが切り替わる。

本実施形態に係るブラシ装置Ｓは、前述の通り、整流子４を通じてコイル２に電流を流す装置であり、ブラシ本体１１が備えられている。
なお、本発明と直接的に関係がないため図示及び詳細な説明は省略するが、
ブラシ本体１１は、銅を含有した黒鉛から構成された立体形状の部材であり、収納ボックスに搭載されるとともに、付勢手段（例えば、バネ）により整流子４方向へと押圧されている。
また、ブラシ本体１１には、給電用のリード線であるピグテールが備えられており、外部電源より給電されるよう構成されている。
なお、本明細書において、ブラシ本体１１の厚み方向とは整流子４の径方向に沿う方向を、ブラシ本体１１の高さ方向とはシャフト１の軸方向に沿う方向と定義する。
なお、この「軸方向に沿う方向」を単に「軸方向」と記し、この「整流子４の径方向に沿う方向」が「軸方向と垂直な方向」となる。

次いで、図２及び図３により、ブラシ本体の消弧構造について説明する。
なお、図２は軸方向の磁束に対するものであり、図３は軸方向と垂直な方向の磁束に対するものである。
図２のように、整流子４に埋設された磁束発生部材４１により、磁束が発生する。
そして、軸方向に磁束がＸ方向（図中矢印参照）に発生すると、磁束中にアーク放電経路Ｋ１が入るように設計（アーク放電経路Ｋ１が磁束方向Ｘと直交するように設計）されることにより、このアーク放電の荷電子にローレンツ力Ｒが発生する。
このように、発生したローレンツ力Ｒにより、アーク放電経路Ｒ中の荷電子はその経路を離脱させられ、これに伴い、アーク放電経路Ｋ１が迂回経路Ｋ２へと変位する。
よって、アークの抵抗によるエネルギー消費が増加し、放電消滅が早くなる。

また、図３には、軸方向と垂直な方向の磁束に対する作用を示した。
図２と作用機構は同一であるが、図３の例では、磁束方向Ｘが、軸方向と垂直な方向となっている。
そして、本例においても、軸方向と垂直な方向に磁束がＸ方向（図中矢印参照）に発生すると、磁束中にアーク放電経路Ｋ１が入るように設計（アーク放電経路Ｋ１が磁束方向Ｘと直交するように設計）されることにより、このアーク放電の荷電子にローレンツ力Ｒが発生する。
このように、発生したローレンツ力Ｒにより、アーク放電経路Ｋ１中の荷電子はその経路を軸方向に離脱させられ、これに伴い、アーク放電経路Ｋ１が迂回経路Ｋ２へと変位する。
よって、アークの抵抗によるエネルギー消費が増加し、放電消滅が早くなる。

次いで、具体的な整流子４の構成と磁束の方向を示す。
図４に示す例では、磁束発生部材４１としては、リング状の永久磁石であるマグネット塊４１ａが使用されている。
そして、このマグネット塊４１ａは、樹脂でモールドされて基部４Ａとなっている。
本例では、動力出力側（図４上では、上面側）がＮ極となるように磁束発生部材４１が配置されている。
よって、マグネット塊４１ａの側面側には、動力出力側からその反対側へ向けての磁束が発生することとなる。
なお、この磁束は軸方向に沿って発生すればよく、このため、Ｎ極とＳ極とは逆転していてもよい。

次いで、図５により、磁束発生部材４１を分割構成した場合の構成例のバリエーションを説明する。
なお、図５に示す例は、いずれも軸方向と垂直な方向に着磁する場合のバリエーションである。
本例では、磁束発生部材４１を分割構成とした。
つまり、マグネット分割片４１ｂを複数使用して、リング状のブロックとしたものを使用する例である。
マグネット分割片４１ｂは、整流子片４Ｂの数と同一の個数が使用される。
本例では、整流子片４Ｂの数は１２個なので、１２個のマグネット分割片４１ｂが使用される。
なお、隣接するマグネット分割片４１ｂ，４１ｂのＮ極とＳ極の配置は天地逆となるよう配設される。

図５（ａ）は、極中心を整流子片４Ｂの中心に整合させた例である。
また、図５（ｂ）は、極間中心を整流子片４Ｂの中心に整合させた例であり、図５（ｃ）は、極中心と整流子片４Ｂの中心とをずらして配置した例である。

図６により、磁束発生部材４１の配設位置について説明する。
図６に示すように、ブラシ本体１１から整流子片４１Ｂに向けてアーク放電経路Ｋ１が形成される。
これに対して、このアーク放電経路Ｋ１が磁束内に配設されるように設計されるが、このとき、図６に示すように、アーク放電経路Ｋ１が磁束と直交するように設計されるとよい。
このアーク放電経路Ｋ１は、電磁気設計、ブラシ材質・寸法・使用環境によって異なるため、アーク放電のタイミング、持続時間、回転数などから算出される。
このように算出されたアーク放電経路Ｋ１によって、図５のバリエーションの中から最適なマグネット片４１ｂの配置を選択する。

なお、マグネット分割片４１ｂではなく、リング状のマグネット塊４１ａを使用した場合のバリエーションを図７に併せて示す。
図７（ａ）は、極中心を整流子片４Ｂの中心に整合させた例であり、図７（ｂ）は、極中心と整流子片４Ｂの中心とをずらして配置した例である。
この場合も、前述の通り算出されたアーク放電経路Ｋ１によって、図７のバリエーションの中から最適なマグネット塊４１ａの配置を選択するとよい。

次いで、磁束発生部材４１を異なった分割構成とする例のバリエーションを図８に示す。
本例では、磁束発生部材４１として、マグネット分割片４１ｂを複数使用しているが、その配置方法が各々異なる。
図８（ａ）では、整流子片４１Ｂの数よりも多い数のマグネット分割片４１ｂが使用されており、所謂、ハルバッハ配向の配置が採用される。
図中の矢印は、個々のマグネット分割片４１ｂの配向方向の例を示したものである。
このように配向することによって、磁束の向きや方向をコントロールすることができる。

また、図８（ｂ）は、マグネット分割片４１ｂを、Ｖ字配置とした例を示したものである。
このように、Ｖ字配置とすることにより、磁束を収束して局部的に高めることができる。
図８（ｃ）は、マグネット分割片４１ｂを、Ｉ字配置とした例を示したものである。
このように、Ｉ字配置とすることにより、マグネット分割片４１ｂを向かい合せに配置することとなり、解放されている外側の磁束を高めることができる。
図８（ｄ）は、鉄コアＬを使用する例である。

本例では、マグネット分割片４１ｂのみを整流子４に埋設するのではなく、鉄コアＬに貼付されたマグネット分割片４１ｂを整流子４に埋設する。
鉄コアＬは、リング状の部材であり、この外側面に複数のマグネット分割片４１ｂが周方向に等間隔で配設されている。
このように、鉄コアＬを併用することで、少ないマグネット分割片４１ｂ量で磁束を高めることができる。
また、これは、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示したＶ字配置及びＩ字配置にも適用することができ、このように、鉄コアＬにＶ字配置及びＩ字配置を適用することにより、磁束収束性能が更に向上することとなる。

更に、図８（ｅ）に示すように、鉄コアＬの外側面を等間隔に整流子片４Ｂ方向へ突出させることによって、更にマグネット分割片４１ｂの量を減少させることができる。
図８（ｅ）の例では、６個の突起部Ｌ１を形成した例を示した。
この例では、隣接する突起部Ｌ１，Ｌ１間に形成されるマグネット配設凹部Ｌ２にマグネット分割片４１ｂを配設する構成としたので、マグネット分割片４１ｂの使用個数を半減することができる。

次いで、図９により、磁束発生部材４１として、内部電磁石４１ｃを使用する例を説明する。
なお、本例は、軸方向と垂直な方向に磁束を発生させる例である。
本例では、リング状の鉄コアＬは、円環状の基端から外側面側に突出部Ｌ１を周方向等間隔に複数設けた構成をとり、この突出部Ｌ１に巻線Ｌ３を巻回することによって、当該部分を電磁石化する。

本例では、巻線Ｌ３は、軸方向に沿うように（図面でいうと上方から下方に渡るように）巻回される。
そして、本例では、巻線Ｌ３の一端部を整流子片４Ｂに接続し、当該部分から巻線Ｌ３に給電することにより、電磁石化が実現される。巻線Ｌ３の他端側は中性点に接続される。
このように構成されているため、必要な部位に磁束を発生させることができる。
なお、本例では、断面Ｔ字形状の突出部Ｌ１を、周方向等間隔に１２個形成した例を示した。
また、鉄コアＬとしては、積層鋼板、ＳＭＣ等、鉄損の少ないものが使用されるとよい。

次いで、図１０により、磁束発生部材４１として、内部電磁石４１ｃを使用する例を説明する。
本例は、図９の例と異なり、軸方向に磁束を発生させる例である。
本例では、巻回部Ｌ４が形成された棒状の鉄コアＬが使用されている。
この鉄コアは、棒状の部材の長手部分の中央付近が矩形状にくり抜かれた形状（側面視凹形状）であり、このくり抜かれた側面視凹形状の部分が巻回部Ｌ４となる。
本例の巻線Ｌ３は、軸方向と垂直方向に沿うように（図面でいうと水平方向に渡るように）巻回される。
結線状態は、図９の例と同様であり、整流子片４Ｂと接続することにより給電されて電磁石化される。

（第二実施形態）
次いで、本発明の第二実施形態について説明する。
なお、基本となるモータＭの構造等は、上記第一実施形態と同様であるため、説明は省略し、第一実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第一実施形態においては、整流子４に埋設された内蔵型の磁束発生部材４１が使用されていた。
しかし、本実施形態においては、整流子４の外部に磁束発生部材４１が配設されている。

図１１に示すように、本例のブラシ本体１１に近接する位置には、磁束発生部材４１が配置されている。
この位置は、アーク放電により火花が発生しやすい部位に近接する位置であるとともに、アーク放電経路Ｋ１に磁束が作用する位置が選択される。
図１２には、軸方向に沿った磁束が発生する例である。
このように、ブラシ本体１１と整流子片４Ｂとが摺接する位置に磁束が流れるように配置されるとよい。

図１３に、軸方向と垂直な方向に磁束を発生させる場合において、磁石の配向方向を変えることによる、磁束の流れのバリエーションを示す。
図１３（ａ）に示すように、ブラシ本体１１の押圧方向に沿って配向方向を配置した例である。
また、図１３（ｂ）は、ブラシ本体１１の押圧方向に角度をもって交差するように配向方向を配置した例であり、図１３（ｃ）は、ブラシ本体１１の押圧方向に直交するように配向方向を配置した例である。

第一実施形態において、図６を参照して説明したが、アーク放電経路Ｋ１は磁束内に配設されるように設計されるが、このとき、アーク放電経路Ｋ１が磁束と直交するように設計されるとよい。
このアーク放電経路Ｋ１は、電磁気設計、ブラシ材質・寸法・使用環境によって異なるため、アーク放電のタイミング、持続時間、回転数などから算出される。
このように算出されたアーク放電経路Ｋ１によって、図１３のバリエーションの中から最適な配向方向を選択する。

また、図１４により、軸方向に沿って磁束を形成する例を説明する。
この例では、ブラシ本体１１を軸方向に沿って挟み込むように、磁束発生部材４１,４１が配設される。
つまり、ブラシ本体１１をＮ極とＳ極とで軸方向に挟み込み、ブラシ本体１１と整流子片４Ｂとの摺接面に強力な磁束が流れるように設定する。
これは、図１５に示すように、軸方向と直交する方向においても同様に実現可能である。
この場合は、軸方向と直交する方向に沿ってブラシ本体１１を挟み込み、ブラシ本体１１と整流子片４Ｂとの摺接面に強力な磁束が流れるように設定する。

図１６には、鉄コアＬを使用する例を示した。
鉄コアＬには、磁束発生部材４１が配設されており、この鉄コアＬの両端部でブラシ本体１１を挟み込む。
図１６（ａ）が軸方向に挟み込む例であり、図１６（ｂ）が軸方向と垂直方向に挟み込む例である。
双方において、ブラシ本体１１と整流子片４Ｂとの摺接面に強力な磁束が流れるように設定される。
このように、鉄コアＬを併用することにより、少ない磁束発生部材４１の量で、磁束を局部的に収束させ高めることができる。
つまり、磁束発生部材４１の量を半減させながら（図示の例）、適正な磁束を確保することができる。

図１７には、外部の磁束発生部材４１の例として、電磁石を使用した例を示す。
これは、鉄コアＬに巻線Ｌ３を巻回して電磁石を構成する例である。
この例は、第二実施形態において、上記説明した全磁束発生部材４１に対して適用することが可能である。

（第三実施形態）
次いで、本発明の第三実施形態について説明する。
なお、基本となるモータＭの構造等は、上記第一実施形態と同様であるため、説明は省略し、第一実施形態及び第二実施形態と異なる部分を中心に説明する。
第一実施形態においては、整流子４に埋設された内蔵型の磁束発生部材４１が使用されており、第二実施形態においては、整流子４の外部に磁束発生部材４１が配設されていた。
本実施形態においては、内蔵型の磁束発生部材４１とともに、外部に配設される磁束整流部材５１を使用する例について説明する。

図１８に、磁束発生部材４１及び磁束整流部材５１を併用した例を示す。本例は、軸方向と垂直な方向に磁束が走る場合を示している。
本例に係る磁束発生部材４１は、整流子４内蔵型であり、図５（ｃ）の例に準ずる。
つまり、マグネット分割片４１ｂを複数使用して、リング状のブロックとしたものを使用し、マグネット分割片４１ｂは、整流子片４Ｂの数と同一の個数が使用されている。
本例では、整流子片４Ｂの数は１２個なので、１２個のマグネット分割片４１ｂが使用されている。
なお、隣接するマグネット分割片４１ｂ，４１ｂのＮ極とＳ極の配置は天地逆となるよう配設されている。
そして、極中心と整流子片４Ｂの中心とをずらして配置されている。

磁束整流部材５１は、水平断面（軸方向と垂直な方向での断面）略コ字形状のコアであり、鉄等の磁性部材が使用される。
この磁束整流部材５１は磁路として機能する。
つまり、この磁束整流部材５１は、矩形平板状の磁路底部５１ａと、この磁路底部５１ａの相対向する片から同方向へ立上る磁路側壁５１ｂ，５１ｂにより、断面略コ字形状の溝型部材を構成している。
そして、磁路側壁５１ｂ，５１ｂの自由端側が整流子４側に配設されるように（つまり、略コ字開口が整流子４側に向けて開口するように）配設される。

よって、図１８に示すように、内蔵された磁束発生部材４１のＮ極からＳ極へ走る磁束は、一方の磁路側壁５１ｂにから磁束整流部材５１に導入され、磁路底部５１ａ及び他方の磁路側壁５１ｂを通って、Ｓ極に戻るという磁束経路を構築する。
このように、外部に磁束整流部材５１を配設することにより、外部に磁路を作成し、目的とした場所の磁束を高めるようコントロールすることができる。
また、磁石起電力により磁束を増加させることができ、パーミアンスを高く維持することができる。

次いで、図１９により、外部に磁束整流部材５１を使用する場合のバリエーションを説明ずる。
図１９（ａ）には、リング状の鉄コアＬの外側面側に突出部Ｌ１を周方向等間隔に複数設けた構成をとり、隣接する突出部Ｌ１，Ｌ１の基端部に磁束発生部材４１を搭載する例を示した。
なお、磁束整流部材５１は、上記図１８の例と同様である。

このように構成することにより、上記図１８の例と同様に磁束の流れを構築することができるとともに、整流子４の内部にも鉄コアＬを使用することにより、磁束性能を維持した状態で整流子４内部に搭載される磁束発生部材４１の量を減少させることができる。
また、鉄コアＬとしては、積層鋼板、ＳＭＣ等、鉄損の少ないものが使用されるとよい。

図１９（ｂ）には、磁束発生部材４１としては、図９の例と同様の構成をとり、電磁石を使用する例である。
なお、磁束整流部材５１は、上記図１８の例と同様である。
本例では、リング状の基端部から外側面側に突出部Ｌ１を周方向等間隔に複数設けた鉄コアＬの構成をとり、この突出部Ｌ１に巻線Ｌ３を巻回することによって、当該部分を電磁石化する。
結線に関しては、図９の場合と同様であり、一端部を整流子片４Ｂに接続し、他端側は中性点に接続される。

図１９（ｃ）乃至図１９（ｅ）は、整流子４内部搭載の磁束発生部材４１と外部配置の磁束整流部材５１を取り換えたものであるため、簡単な説明にとめる。
図１９（ｃ）は、鉄コアＬを磁束整流部材５１とし、外部に磁束発生部材４１としてブロック状の磁石を使用したものである。
整流子４の内部に磁路を設けることによって、同様に、目的とした場所の磁束を高めるようコントロールすることができる。
また、磁石起電力により磁束を増加させることができ、パーミアンスを高く維持することができる。

図１９（ｄ）は、鉄コアＬを磁束整流部材５１とし、外部に磁束発生部材４１として鉄製の外部コアにブロック状の磁石を搭載したものである。
この構成をとると、外部にも鉄製の外部コアにより磁路が形成されるとともに、図１９（ｃ）の例の磁束性能を維持したまま、磁束発生部材４１の量を減少させることができる。
図１９（ｅ）は、鉄コアＬを磁束整流部材５１とし、外部に磁束発生部材４１として電磁石を使用したものである。

図２０には、整流子４内部と外部双方に、磁束発生部材４１及び磁束整流部材５１双方の機能をもった部材を使用した例を示す。
双方同様の機能を有するため彼是区別するために、整流子内部に埋設される側を、「内蔵型磁束発生整流部材１４１」と記し、外部に配設される側を「外部配設型磁束発生整流部材１５１」と記す。

図２０（ａ）は、内蔵型磁束発生整流部材１４１を、図１９（ａ）に示すものと同様の構成としたものである。
簡単に説明すると、リング状の鉄コアＬの外側面側に突出部Ｌ１を周方向等間隔に複数設けた構成をとり、隣接する突出部Ｌ１，Ｌ１の基端部に磁石を搭載する例である。
そして、外部配設型磁束発生整流部材１５１は、図１９（ｄ）に示すものと同様の構成とした。
簡単に説明すると、鉄製の外部コアにブロック状の磁石を搭載したものである。

また、図２０（ｂ）は、内蔵型磁束発生整流部材１４１を、図１９（ｂ）に示す電磁石とし、外部配設型磁束発生整流部材１５１を、図１９（ｅ）に示す電磁石としたものである。
これら図２０（ａ）及び図２０（ｂ）の構成をとると、整流子４の内外に起磁力と磁路を配置することができる。
よって、磁束を強めることができるとともに、目的の場所に確実に磁束を流すことができる。
なお、整流子４内外のうちどちらかを、磁石とし、磁石と電磁石との組合わせとしてもよい。そして、このとき、内外のどちらに、電磁石をもってきてもよい。

１・・シャフト、２・・コイル、３・・電機子、４・・整流子、１１・・ブラシ本体、
４Ａ・・基部、４Ｂ・・整流子片、
４１・・磁束発生部材、４１ａ・・マグネット塊、４１ｂ・・マグネット分割片、
４１ｃ・・内部電磁石、
５１・・磁束整流部材、５１ａ・・磁路底部、５１ｂ・・磁路側壁、
１４１・・内蔵型磁束発生整流部材、１５１・・外部配設型磁束発生整流部材、
Ｋ１・・アーク放電経路、Ｋ２・・迂回経路、
Ｌ・・鉄コア、Ｌ１・・突起部、Ｌ２・・マグネット配設凹部、Ｌ３・・巻線、
Ｌ４・・巻回部、
Ｍ・・モータ、Ｒ・・ローレンツ力、Ｓ・・ブラシ装置、Ｘ・・磁束

Claims (12)

1. 隣り合う整流子片が絶縁スリットを介在して回転周方向に整列している整流子と、
   該整流子と摺接するブラシ本体と、を備えた直流モータであって、
   前記整流子及び前記ブラシ本体の近傍には、前記整流子と前記ブラシ本体との接触部位に生じる放電方向に対して直交する方向に走る磁場を発生させる磁束発生部材が備えられていることを特徴とする直流モータ。
2. 前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、
   前記磁束発生部材は、前記基部に埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
3. 前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、
   前記磁束発生部材は、前記整流子の外部であって前記ブラシ本体に近接する位置に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
4. 前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、
   前記磁束発生部材は、前記基部の内部及び前記ブラシ本体の近接位置、双方に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
5. 前記ブラシ本体の近接位置に配置される前記磁束発生部材は、
   軸方向若しくは軸方向に垂直な方向にブラシ本体を挟み込むように配設されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の直流モータ。
6. 前記整流子は、前記整流子片と、該整流子片が外側面回転周方向に整列している基部と、を有して構成されており、
   磁性体で構成された磁束整流部材を更に備え、
   前記磁束発生部材は、前記基部の内部及び前記ブラシ本体の近接位置のどちらか一方に備えられるとともに、前記磁束整流部材は他方に備えられていることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
7. 前記磁束整流部材は、前記基部に埋設された鉄製コア部材若しくは前記ブラシ本体に近接して配置された鉄製コア部材のいずれかであることを特徴とする請求項６に記載の直流モータ。
8. 前記ブラシ本体に近接して配置された前記鉄製コア部材は、
   矩形平板状の磁路底部と、該磁路底部の相対向する辺から同方向に各々立上る磁路側壁とを有して構成されており、
   両前記磁路側壁の自由端側は、前記整流子片側に配設されることを特徴とする請求項７に記載の直流モータ。
9. 前記磁束整流部材には、磁束を発生する機能もまた付加されており、
   前記鉄製コア部材に磁石を搭載した構成若しくは前記鉄製コア部材に巻線を巻回して電磁石とした構成のいずれかの構成がとられることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の直流モータ。
10. 前記磁束発生部材は、リング状の磁石塊、磁石塊が複数個整列してリング状を形成した磁石ブロック、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であることを特徴とする請求項２に記載の直流モータ。
11. 前記磁束発生部材は、磁石塊、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であることを特徴とする請求項３に記載の直流モータ。
12. 前記磁束発生部材は、前記基部の内部に備えられる側は、リング状の磁石塊、磁石塊が複数個整列してリング状を形成した磁石ブロック、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であり、
    前記整流子の外部であって前記ブラシ本体に近接する位置に備えられる側は磁石塊、鉄製コア部材に磁石塊が配設された磁石ユニット、鉄製コア部材に巻線が巻回された電磁石、のうちから選択される構成であることを特徴とする請求項４又は請求項６に記載の直流モータ。
    
    

Images