JP2017005831A - ブラシモータ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシに流れる電流の脈動を低減することが可能なブラシモータを提供する。
【解決手段】ブラシモータ１００は、ステータコア７の内周面８に、互いに隣接する磁極が異なる磁極となるように周方向に沿って配設された複数の永久磁石４と、複数の永久磁石４の径方向内側に収容され、周方向に沿って複数のティース１が形成されたロータコア５と、複数のティース１に線材を巻き回して形成された複数のコイル９と、複数のコイル９における線材の巻始め及び巻終わりの一対の端部が夫々接続され、環状に配設された複数のセグメント２と、セグメント２と接触してコイル９に通電する少なくとも二組のブラシ３と、を備え、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数と最大数との比が、１≦最大数／最小数≦１．２の関係となるように、周方向に沿ったブラシ３の開角θが設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の永久磁石を有するステータコアを備えたブラシモータに関する。

従来、例えば４極１２スロットのブラシモータが利用されてきた。一方、ブラシモータの用途によっては小型化や軽量化の要望があり、多極化による継鉄や磁石の薄肉化が図られてきた。上述した４極１２スロットのブラシモータを８極に多極化する際に、極数とスロット数の比率が一定となるようにスロット数を２４スロットにすればブラシの寿命が低下せず電磁雑音の発声を抑制ができると考えられる。しかしながら、電機子鉄心に２４のスロットを形成すると、スロットと巻線との絶縁を確保するためのインシュレータの厚みを半分にしなければならなくなり、巻線を巻き回すスペースが減少し、同等の出力を確保することが容易ではなくなる。これにより、磁石や鉄芯の高さなどを大型化する必要があり、小型化、軽量化の効果が減少する。

そこで、ブラシモータの小型化や軽量化を図った技術として例えば特許文献１及び２に記載のものがある。特許文献１に記載の電動モータは、ティースの数を偶数とし、整流子片の数をティースの２倍とし、磁極の数を４の倍数、ブラシの数を４として構成される。また、特許文献２に記載の直流モータは、所謂６極９スロットで構成される。

特開２０１０−１１５６５号公報 特開２０１０−５８１９３号公報

ここで、ブラシモータは、コイルの端部に設けられたコンミテータにブラシが接触した際に電流が流れるが、接触当初は過大な電流が流れることが知られている。特許文献１及び２に記載の技術は、このような過大な電流を抑制することが想定されておらず、モータに流れる電流の脈動が大きくなり、モータのブラシの摩耗が増大する可能性がある。

そこで、電流の脈動を低減することが可能なブラシモータが求められている。

本発明に係るブラシモータの特徴構成は、ステータコアの内周面に、互いに隣接する磁極が異なる磁極となるように周方向に沿って配設された複数の永久磁石と、前記複数の永久磁石の径方向内側に収容され、周方向に沿って複数のティースが形成されたロータコアと、前記複数のティースに線材を巻き回して形成された複数のコイルと、前記複数のコイルにおける前記線材の巻始め及び巻終わりの一対の端部が夫々接続され、環状に配設された複数のセグメントと、前記セグメントと接触して前記コイルに通電する少なくとも二組のブラシと、を備え、前記セグメントに前記ブラシが接触した際に通電されるコイルの最小数と最大数との比が、１≦最大数／最小数≦１．２の関係となるように、周方向に沿った前記ブラシの開角が設定されている点にある。

このような特徴構成とすれば、ロータコアの回転中、従来のブラシモータに比べて、通電されるコイルの最大数と最小数との差異を小さくすることができる。このため、ブラシがセグメントに接触する際、及び離間する際にセグメントに生じる電圧を小さくすることができるので、ブラシに流れる電流の脈動を低減することが可能となる。したがって、ブラシの摩耗を抑制することが可能となる。

また、前記永久磁石の数が８であり、前記コイルの数が１４であると好適である。

このような構成とすれば、スロット数の増加を抑制できるので、巻線を巻き回すスペースが確保し易くなる。したがって、ブラシモータを小型化、及び軽量化した場合でも出力の低下を抑制できる。また、スロット数の増加を抑制できるので、周方向に沿ったティースの長さが短くなることを抑制できる。したがって、ティースの強度を低下も抑制することが可能となる。また、このような構成とすれば、ロータコアの回転中に通電されるコイルの最大数及び最小数を夫々１２及び１０、又は１４及び１０に設定することができる。したがって、ブラシに流れる電流の脈動を低減することができ、ブラシの摩耗を抑制することが可能となる。

また、前記開角が１３度以上１６度以下であると好適である。

このような構成とすれば、ロータコアの回転中に通電されるコイルの最大数及び最小数を夫々１２及び１０に設定することができる。この場合、ブラシに電流を流す機会を減じることができるので、ブラシに流れる電流の脈動を低減しつつ、ブラシの摩耗を抑制することが可能となる。

ブラシモータの軸方向断面図である。 ブラシとセグメントとの接続状態を示したブラシモータの展開図である。 ブラシの開角を変更した場合のブラシとセグメントとの接続状態を示したブラシモータの展開図である。 電圧特性を示した図である。 ブラシとセグメントとの接続状態を示したブラシモータの展開図である。 その他の実施形態に係るブラシモータの展開図である。

本発明に係るブラシモータは、ブラシに流れる電流の脈動を低減することができる。以下、本実施形態のブラシモータ１００について説明する。

図１には、ブラシモータ１００の軸方向視における断面図が示される。図１に示されるように、ブラシモータ１００は、セグメント２、ブラシ３、永久磁石４、ロータコア５、コイル９を備えて構成される。

永久磁石４は、ステータコア７の内周面８に、互いに隣接する磁極が異なる磁極となるように周方向に沿って複数、配設される。ステータコア７は有底の筒状部で形成される。「互いに隣接する磁極が異なる磁極となるように」とは、Ｎ極及びＳ極がステータコア７の周方向に沿って交互に現れることをいう。したがって、永久磁石４は、筒状部の内周面８にＮ極及びＳ極が周方向に沿って交互に現れるように、複数、配置される。本実施形態では、８個の永久磁石４が配設される。

ロータコア５は、複数の永久磁石４の径方向内側に収容される。上述したように、永久磁石４はステータコア７の内周面８に配設され、その径方向内側に、永久磁石４に対して回転自在にロータコア５が設けられる。ロータコア５は、一体形成された中心軸体６とティース１とを有して構成され、ティース１は中心軸体６から放射状に突出するように、周方向に沿って複数形成される。本実施形態では、ロータコア５は、１４個のティース１を有する。以下では、１４個のティース１を区別して説明する場合には、夫々、ティース１Ａ−１Ｎとして説明する。

コイル９は、複数のティース１に線材を巻き回して複数、形成される。本実施形態では、表面が絶縁材で被覆された導線からなる線材を、互いに隣接する２つのティース１に亘って巻き回して１つのコイル９が形成される。また、互いに隣接するコイル９は、１つのティース１を共有して互いの線材が巻き回される。本実施形態では、このように線材を巻き回して１４個のコイル９が形成される。

セグメント２は、複数のコイル９における線材の巻始め及び巻終わりの一対の端部が夫々接続され、環状に複数、配設される。セグメント２は、コイル９を形成する線材の巻始めと巻終わりの夫々が、互いに隣接するセグメント２に接続される。本実施形態では、セグメント２は１４個配設され、互いに隣接する２つのコイル９が共有するティース１に巻き回された線材の夫々の端部が一つのセグメント２に接続される。したがって、本実施形態では、コイル９はセグメント２も共有する。なお、セグメント２は、ロータコア５と共に回転する。

ブラシ３は、セグメント２と接触してコイル９に通電し、少なくとも二組設けられる。本実施形態では、正負一対からなるブラシ３が、四組設けられる。図１及び図２に示されるように「＋」を付した正のブラシをブラシ３Ａとし、「−」を付した負のブラシ３をブラシ３Ｂとすると、正のブラシ３Ａ及び負のブラシ３Ｂは、夫々９０度、周方向に位置をずらして配置される。なお、ブラシ３はロータコア５の回転に拘らず、位置が変わらないように固定される。正のブラシ３Ａは、少なくとも負のブラシ３Ｂの電位よりも高い電位となるように、所定の電圧が印加される。なお、この時、８つのブラシ３の夫々は、周方向に沿って互いの間隔を均等に配置すると良い。

本実施形態では、ブラシモータ１００は、所謂８極１４スロットのモータとして、１４個のコイル９を備えて構成されるが、ブラシモータ１００の回転中には、１４個のコイル９が全て通電されているわけではなく、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数と最大数との比が、１≦最大数／最小数≦１．２の関係となるように構成される。本実施形態では、ブラシモータ１００の運転中に通電されるコイル９は最小数が１０個で最大数が１２個である。更には、ブラシモータ１００の回転中には、コイル９は、１０個と１２個とで切り替えて通電される。

このような運転を実現すべく、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数と最大数との比が、１≦最大数／最小数≦１．２の関係となるように、周方向に沿ったブラシ３の開角θが設定されている。ここで、図２には、ブラシ３とセグメント２との接続状態を示したブラシモータ１００の展開図が示される。図２では、理解を容易にするために、上述した１４個のティース１の夫々をティース１Ａ−１Ｎとすることに加え、１４個のセグメント２を夫々セグメント２Ａ−２Ｎとし、８個のブラシ３を夫々ブラシ３Ａ−３Ｈとして説明する。

図２の（ａ）状態では、ブラシ３Ａがセグメント２Ｃに接触しているので、セグメント２Ｃに接続された２本の線材に所定の電圧が印加される。これにより、ティース１Ｃ、１Ｄ、１Ｅに線材を巻き回して形成されたコイル９を介してブラシ３Ｂが接触するセグメント２Ｅに電流が流れる。また、ティース１Ｃ、１Ｂ、１Ａに線材を巻き回して形成されたコイル９を介してブラシ３Ｈが接触するセグメント２Ａに電流が流れる。

また、ブラシ３Ｃにおいては、セグメント２Ｆ及びセグメント２Ｇの双方に接触しているので双方に接続された４本の線材に所定の電圧が印加される。これにより、ティース１Ｆ、１Ｅに線材を巻き回して形成されたコイル９を介してブラシ３Ｂが接触するセグメント２Ｅに電流が流れる。また、ティース１Ｇ、１Ｈに線材を巻き回して形成されたコイル９を介してブラシ３Ｄが接触するセグメント２Ｈに電流が流れる。しかしながら、セグメント２Ｆ及びセグメント２Ｇの夫々に一対の端部が接続され、ティース１Ｆ及びティース１Ｇに線材を巻き回して形成されたコイル９には電流が流れない。なお、図２では、通電されているコイル９を電流経路毎に太い実線又は細い実線で区別して示し、通電されていないコイル９を破線で示している。

以下同様に、ブラシ３Ｅを介して通電されたコイル９には電流が流れるが、ブラシ３Ｇはセグメント２Ｍ及びセグメント２Ｎの双方に接触しているので、ティース１Ｍ及びティース１Ｎに線材を巻き回して形成されたコイル９には電流が流れない。このように、ブラシモータ１００では、ブラシ３が互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触している時には、当該２つのセグメント２に夫々端部が接続されたコイル９は未通電状態とされ、図２の（ａ）状態では、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。

次に、ロータコア５が（黒矢印の方向に）回転し、図２の（ｂ）状態になると、ブラシ３Ｃ、３Ｄ、３Ｇ、３Ｈが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触している。このため、図２の（ｂ）状態では、１４個のコイル９のうち１０個のコイル９のみが通電される。

更に、ロータコア５が（黒矢印の方向に）回転し、図２の（ｃ）状態になると、ブラシ３Ｄ、３Ｈが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触している。このため、図２の（ｃ）の状態では、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。

このように、本実施形態のブラシモータ１００では、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数が１０であり、最大数が１２である。このため、最小数と最大数との比が１２／１０となり、１≦最大数／最小数≦１．２の関係を具備する。

このような関係を具備するために、周方向に沿ったブラシ３の開角θが１３度以上１６度以下に設定すると良い。特に、本実施形態では、周方向に沿ったブラシ３の開角θが１３度に設定されている。ブラシ３の開角θとは、ブラシ３の周方向の幅に対応する角度である。このようなブラシ３の開度に合わせて、通電されるコイル９の最小数と最大数との比が１≦最大数／最小数≦１．２の関係を具備するようにセグメント２の周方向に沿った長さを設定すると良い。

図３には、周方向に沿ったブラシ３の開角θを１６度にした場合のブラシモータ１００の展開図の一部が示される。比較のために、図２におけるブラシ３の幅を２点鎖線で示している。図３に示されるように、ブラシ３の幅が広がり、これに対して、ブラシ３の幅が広がった分だけ、セグメント２の周方向に沿った長さが短く設定される。このように構成することで、図３の状態では、ブラシ３Ｃが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触している。また、図示はしないが、ブラシ３Ｇも互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触することになる。このため、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。

以下、図２の例と同様に、ロータコア５が回転すると、ブラシ３Ｃ、３Ｄ、３Ｇ、３Ｈが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触し、１４個のコイル９のうち１０個のコイル９のみが通電される。更に、ロータコア５が回転すると、ブラシ３Ｄ、３Ｈが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触し、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。このように、ブラシ３の開角θを１６度にした場合でも、ブラシモータ１００では、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数が１０であり、最大数が１２である。このため、最小数と最大数との比が１２／１０となり、１≦最大数／最小数≦１．２の関係を具備する。

このように構成したブラシモータ１００のセグメント２の電圧特性が図４に示される。図４では、縦軸にセグメント２に生じる電圧が示され、横軸にロータコア５の回転角が示される。本実施形態に係る８極１４スロットのブラシモータ１００の特性が実線で示され、比較例として８極１６スロットのブラシモータの特性が破線で示される。本実施形態のブラシモータ１００は上述したように、通電されるコイル９の最大数が１４個であり、最小数が１２個である。一方、詳細は省略するが、８極１６スロットのブラシモータでは、通電されるコイルの最大数が１６個であり、最小数が８個となる。このため、本実施形態のブラシモータ１００の方が電圧の脈動が小さくなり、電流の脈動を小さくすることができる。したがって、ブラシ３の寿命を長くできる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、ブラシモータ１００が通電されるコイル９の最大数が１４個であり、最小数が１２個であるとして説明したが、図５に示されるように、ブラシ３の開角θを１３度以下（図５の例では７度）にすることにより、通電されるコイル９の数を変更することも可能である。

図５の（ａ）の状態では、ブラシ３Ｃが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｆ及びセグメント２Ｇに亘って接触し、ブラシ３Ｇが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｍ及びセグメント２Ｎに亘って接触している。このため、図５の（ａ）の状態では、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。

ロータコア５が回転し、図５の（ｂ）の状態になると、ブラシ３Ａ−３Ｈの何れもが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触することはなく、１４個のコイル９、全てが通電される。更に、ロータコア５が回転し、図５の（ｃ）の状態になると、ブラシ３Ｄが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｈ及びセグメント２Ｉに亘って接触し、ブラシ３Ｈが、互いに隣接する２つのセグメント２Ａ及びセグメント２Ｂに亘って接触する。このため、図５の（ｃ）の状態では、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。

このように、ブラシ３の開角θを１３度以下（例えば７度）とすることで、ブラシモータ１００では、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数を１２とし、最大数を１４とすることができる。この時でも、最小数と最大数との比が１４／１２となり、１≦最大数／最小数≦１．２の関係を具備し、セグメント２における電圧の脈動を小さくすることができる。したがって、ブラシ３に流れる電流の脈度を低減でき、ブラシ３の寿命を長くすることが可能となる。

また、ブラシ３の開角θの変更に代えて、セグメント２の周方向の長さを短くすることで、通電されるコイル９の最小数を１２とし、最大数を１４とすることも可能である。

上記実施形態では、８極１４スロットのブラシモータ１００を例に挙げて説明したが、通電されるコイル９の最小数と最大数との比が、１≦最大数／最小数≦１．２の関係を具備するように構成すれば、セグメント２に流れる電流の脈動を低減することが可能である。

上記実施形態では、正負一対からなるブラシ３が四組設けられるとして説明したが、ブラシ３は、少なくとも二組であれば良い。正負一対からなるブラシ３が二組設けられた場合のブラシモータ１００の展開図が図６に示される。この時、４つのブラシ３の夫々は、周方向に沿って互いの間隔を均等に配置すると良い。

図６の（ａ）の状態では、ブラシ３Ｂが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｆ及びセグメント２Ｇに亘って接触し、ブラシ３Ｄが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｍ及びセグメント２Ｎに亘って接触している。このため、図６の（ａ）の状態では、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。

ロータコア５が回転し、図６の（ｂ）の状態でも、ブラシ３Ｂが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｆ及びセグメント２Ｇに亘って接触し、ブラシ３Ｄが、互いに隣接する２つのセグメント２Ｍ及びセグメント２Ｎに亘って接触する。このため、図６の（ｂ）の状態でも、１４個のコイル９のうち１２個のコイル９のみが通電される。更に、ロータコア５が回転し、図６の（ｃ）の状態になると、ブラシ３Ａ−３Ｄの何れもが、互いに隣接する２つのセグメント２に亘って接触することはなく、１４個のコイル９、全てが通電される。

このように、ブラシ３が二組である場合でも、セグメント２にブラシ３が接触した際に通電されるコイル９の最小数を１２とし、最大数を１４とすることができる。この時でも、最小数と最大数との比が１４／１２となり、１≦最大数／最小数≦１．２の関係を具備し、セグメント２における電圧の脈動を小さくすることができる。したがって、ブラシ３に流れる電流の脈度を低減でき、ブラシ３の寿命を長くすることが可能となる。

また、ブラシ３は、少なくとも二組あれば良い。すなわち、三組であっても良いし、五組以上であっても良い。

本発明は、複数の永久磁石を有するステータコアを備えたブラシモータに用いることが可能である。

１：ティース
２：セグメント
３：ブラシ
４：永久磁石
５：ロータコア
７：ステータコア
８：内周面
９：コイル
１００：ブラシモータ
θ：開角

Claims (3)

1. ステータコアの内周面に、互いに隣接する磁極が異なる磁極となるように周方向に沿って配設された複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石の径方向内側に収容され、周方向に沿って複数のティースが形成されたロータコアと、
   前記複数のティースに線材を巻き回して形成された複数のコイルと、
   前記複数のコイルにおける前記線材の巻始め及び巻終わりの一対の端部が夫々接続され、環状に配設された複数のセグメントと、
   前記セグメントと接触して前記コイルに通電する少なくとも二組のブラシと、を備え、
   前記セグメントに前記ブラシが接触した際に通電されるコイルの最小数と最大数との比が、１≦最大数／最小数≦１．２の関係となるように、周方向に沿った前記ブラシの開角が設定されているブラシモータ。
2. 前記永久磁石の数が８であり、前記コイルの数が１４である請求項１に記載のブラシモータ。
3. 前記開角が１３度以上１６度以下である請求項１又は２に記載のブラシモータ。

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