JP2018113751A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】放射源であるシャフトからのノイズ放射量を低減する回転電機を提供する。【解決手段】回転電機のノイズ放射源であるシャフト５０１は、金属製で導電性の導電層５１、軸心５４、及び、二つの導通部５５、５６と、絶縁材である樹脂が充填された環状分断部７１及び絶縁層６１とを有する。導電層５１は、軸心５４の径方向外側を囲み、シャフト５０１の最外層をなす。導電層５１は、環状分断部７１によって二つの導電層要素５１１、５１２に分割されている。径方向における導電層５１と軸心５４との間には絶縁層６１が形成されている。導通部５５、５６は、シャフト５０１の両端部において、導電層５１と軸心５４との間を導通させる。シャフト５０１に伝搬されたノイズ電流は、環状分断部７１を起点として導電層５１及び軸心５４を軸方向に流れ、導通部５５、５６で合流する。このとき、逆方向のノイズ電流が打ち消し合い、放射ノイズが低減される。【選択図】図５

Description

本発明は、シャフトに接続された回転子が固定子に対して回転する回転電機に関する。

従来、回転電機の動作中に発生する電磁ノイズを低減する技術が知られている。
例えば特許文献１に開示された回転電機は、給電用ターミナルの延出部の中途位置から分岐した分岐部を有しており、分岐部は、外表面と隣接する絶縁層と、絶縁層と隣接する導電層とから形成されている。絶縁層及び導電層により構成されるコンデンサによって、給電用ターミナルから伝搬される高周波ノイズを抑制している。

特開２０１６−５３９７号公報

特許文献１の従来技術は、給電用ターミナルから放射源へのノイズ伝搬量を低減するものであり、放射源から外部へのノイズ放射量を低減するものではない。したがって、放射源であるシャフトに伝搬されたノイズの放射を低減することはできない。
本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、放射源であるシャフトからのノイズ放射量を低減する回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、回転軸であるシャフト（５０１−５０４）と、シャフトに接続された回転子（４０）と、固定子（３０）と、ハウジング（２０）と、電機子コイル（４２）と、界磁発生源（３１、３２）と、を備える。
固定子は、回転子と相互作用し、回転子に回転力を発生させる。
ハウジングは、回転子及び固定子を収容し、または、回転子を収容しつつ固定子として機能する。
電機子コイルは、回転子または固定子の一方に巻回され、電源から通電される。
界磁発生源は、固定子または回転子の他方に設けられ、電機子コイルに界磁を与える。

シャフトは、導電性の軸心（５４）、一層以上の導電層（５１、５２）及び二つの導通部（５５、５６）を有する。
一層以上の導電層は、軸心の径方向外側を囲み、一つ以上の環状分断部（７１、７２）によって軸方向に分割されている。
二つの導通部は、環状分断部に対し一方及び他方の端部側に設けられ、各導電層及び軸心の間を導通させる。

本発明では、シャフトに伝搬されたノイズ電流は、環状分断部を起点として、一層以上の導電層及び軸心の複数の経路に分かれて一方の端部及び他方の端部に向かって流れ、両端部側の導通部で合流する。このとき、互いに逆方向のノイズ電流が打ち消し合うため、外部へ放射されるノイズが低減される。これにより、放射ノイズによる周辺機器への電波障害の影響を低減することができる。

好ましくは、シャフトの軸方向における一つ以上の環状分断部、並びに、シャフトの径方向における導電層同士の間、及び、導電層と軸心との間（６１、６２）には、絶縁材が充填されている。ここで、「絶縁材」とは、抵抗が無限大Ωであるものに限らず、当該技術分野で一般に絶縁材として解釈される、例えば抵抗が数ＭΩ以上の高抵抗材を含む。
これにより、ノイズ電流経路間の絶縁性を確保しつつ、導電層及び軸心を安定的に保持することができる。

本発明の回転電機は、特にブラシ付きＤＣモータに適用されることが好ましい。その場合、回転電機は、シャフトに固定される複数の整流子片を含む整流子（４３）と、ハウジングに保持され、回転子の回転時に整流子に摺接される一対以上のブラシ（３３、３４）と、をさらに備え、ブラシと整流子との接触により電機子コイルに流れる電流の向きが切り替わる。
ブラシ付きモータでは、ブラシと整流子との接触により発生する火花がノイズ源となるため、放射ノイズの低減効果が特に有効に発揮される。

また、この回転電機では、一つ以上の環状分断部は、シャフトの軸方向において、整流子または回転子に対応する範囲に位置していることが好ましい。これにより、ノイズ電流が多く伝搬される位置に環状分断部を効果的に配置することができる。

導通部は、各導電層及び軸心に当接する金属部材で構成されてもよい。
また、導通部において、各導電層及び軸心は溶着状態となっていてもよい。

第１実施形態の回転電機の軸方向断面図である。 図１の回転電機のＩＩ方向矢視図である。 図１の回転電機の模式断面図である。 第１実施形態のシャフトの正面図であり、且つ、金属部材で構成された導通部が圧入された形態を示す部分断面図である。 第１実施形態のシャフト（導通部において導電層及び軸心が溶着状態となっている形態）の軸方向断面図である。 （ａ）第１実施形態及び（ｂ）比較例の作用効果を示す図である。 第２実施形態のシャフトの軸方向断面図である。 第３実施形態のシャフトの軸方向断面図である。 第４実施形態のシャフトの軸方向断面図である。

以下、回転電機の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の回転電機について、図１〜図６を参照して説明する。
最初に回転電機の全体構成について図１〜図３を参照する。本実施形態の回転電機１０はブラシ付きＤＣモータであり、ハウジング２０、固定子３０、界磁発生源３１、３２、ブラシ３３、３４、回転子４０、電機子コイル４２、整流子４３、及び、シャフト５０１等を備える。

以下、説明の便宜上、図１の上側を「上」、図１の下側を「下」と表す。ただし、現実の回転電機１０は、鉛直方向に限らず、水平方向又は斜め方向に設置されてもよい。
また、図３は、ブラシ付きＤＣモータの動作原理を表す模式的な径方向断面図であり、図１の正確な断面を示すものではない。例えば、図３では、回転子４０を簡略化し、三箇所のティース４１に電機子コイル４２が巻回された構成として示している。

ハウジング２０は、界磁発生源ケース２１及びブラシホルダ２２を含み、回転電機１０の外郭をなす。ハウジング２０の下部を構成する界磁発生源ケース２１は、筒の内壁に界磁発生源３１、３２が固定されており、界磁発生源３１、３２の内側に回転子４０を収容する。界磁発生源３１、３２は、典型的には、Ｎ極及びＳ極の永久磁石で構成され、電機子コイル４２に界磁を与える。
回転子４０は、回転軸であるシャフト５０１に接続されている。電機子コイル４２は、回転子４０に巻回され、電源から通電される。

図１の構成では、界磁発生源３１、３２が固定されるハウジング２０が、回転子４０を収容しつつ、「回転子４０と相互作用し、回転子４０に回転力を発生させる固定子３０」としても機能している。ただし、他の実施形態では、ハウジング２０とは独立した固定子３０が設けられてもよい。
整流子４３は、シャフト５０１に固定される複数の整流子片を含む。図３には、整流子が３つの整流子片を含む形態を例示する。

ハウジング２０の上部を構成するブラシホルダ２２は、界磁発生源ケース２１の開口を覆う蓋として機能しつつ、内側に一対のブラシ３３、３４を保持する。また、外部の直流電源に接続される正負の電極３５、３６が設けられる。一対のブラシ３３、３４は、それぞれ正負の電極３５、３６に接続され、互いに対向して配置される。ブラシ３３、３４は、回転子４０の回転時に整流子４３に摺接される。なお、ブラシ３３、３４は、二対以上設けられてもよい。

回転電機１０は、ブラシ３３、３４と整流子４３との接触により電機子コイル４２に流れる電流の向きが切り替わることにより、回転子４０が固定子３０に対して連続的に回転する。このようなブラシ付きＤＣモータの動作原理は周知技術であるため、詳しい説明を省略する。

ところで、特許文献１（特開２０１６−５３９７号公報）等に記載されているように、回転電機の動作により発生する電磁ノイズが周辺機器に電波障害をもたらす場合がある。特にブラシ付きモータでは、ブラシ３３、３４と整流子４３との接触により発生する火花がノイズ源となるため、ブラシレスモータ等に比べ、この問題の解決がより求められる。
ノイズの低減に関し、特許文献１の従来技術では、給電用ターミナルとハウジングとの間でコンデンサを構成することにより放射源へのノイズ伝搬量を低減している。

それに対し本実施形態では、外部へのノイズ放射源が主にシャフトである点に着目し、シャフトからのノイズ放射量、特に高周波ノイズの放射量を低減することを目的とする。
回転電機のシャフトは、回転軸としての強度を確保するため、一般に金属、つまり導電体で形成されている。理論的には樹脂やセラミック等の非導電体でシャフトを形成すればノイズの低減に有利であるが、強度確保の観点から現実的でない。そこで、回転軸としての強度を確保しつつノイズ放射量を低減するためのシャフトの特徴的な構成を提案する。
図１において整流子４３の位置に破線で示したシャフト５０１の環状分断部７１がその特徴的構成を示す部分である。

以下、各本実施形態のシャフトの構成について詳しく説明する。各実施形態のシャフト符号として、「５０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。
まず、図４、図５を参照し、第１実施形態のシャフト５０１の構成を説明する。説明の便宜上、図４、図５の上側に記されるシャフト５０１の端部を上端部といい、同じく下側に記される端部を下端部という。

シャフト５０１は、中心軸Ｑを有する円筒状を呈し、金属製で導電性の導電層５１、軸心５４、及び、二つの導通部５５、５６と、絶縁材としての樹脂が充填された環状分断部７１及び絶縁層６１とを有する。つまり、第一実施形態のシャフト５０１は、軸心５４を一つの層とみなすと、一層の導電層５１と軸心５４とからなる二層構造となっている。
本明細書において「絶縁材」とは、抵抗が無限大Ωであるものに限らず、当該技術分野で一般に絶縁材として解釈される、例えば抵抗が数ＭΩ以上の高抵抗材を含む。

軸心５４は、軸方向に分割されることなく、一体の中実円筒状に形成されている。
導電層５１は、軸心５４の径方向外側を囲み、シャフト５０１の最外層をなす。導電層５１は、軸方向の途中に設けられた環状分断部７１によって二つの導電層要素５１１、５１２に分割されている。なお、環状分断部７１の位置は軸方向の中間に限らず、二つの導電層要素５１１、５１２の長さが不均等であってもよい。
径方向における導電層５１と軸心５４との間には樹脂が充填され、絶縁層６１が形成されている。

導通部５５は、シャフト５０１の上端部において、上端部側の導電層要素５１１と軸心５４との間を導通させる。導通部５６は、シャフト５０１の下端部において、下端部側の導電層要素５１２と軸心５４との間を導通させる。
図４の部分断面図に示すように、導通部５５、５６は、例えば端部にインローが形成された軸心５４の外壁と導電層５１の内壁との間に圧入され、それらに当接するリング状の金属部材で構成されてもよい。
また、図５に示すように、導電層５１及び軸心５４の端面に当接する金属部材がレーザ溶接、電気溶接等によって溶着されてもよく、導電層５１及び軸心５４自体が互いに溶着されてもよい。これらの場合を含めて、製品としてのシャフト５０１の状態を、「導電層５１及び軸心５４が溶着状態となっている」と表す。

なお、シャフト５０１の具体的な設計では、シャフト全長Ｌ、シャフト外径φＤ、導電層５１の厚さＴｍ、絶縁層６１の厚さＴｐ、環状分断部７１の幅Ｗ等のパラメータを適合させるように設定することが好ましい。
次に図６を参照し、本実施形態のシャフト５０１による作用効果を比較例と対比しつつ説明する。図６（ａ）には本実施形態のシャフト５０１について、図６（ｂ）には比較例のシャフト５０９について、それぞれ、ノイズ源からシャフトに伝搬されたノイズ電流により発生する放射ノイズの大きさを模式的に示す。

図６（ｂ）に示す比較例のシャフト５０９は、金属製の中実円筒である。ノイズ源からシャフト５０９の軸方向中間部に伝搬されたノイズ電流は、円筒側面に沿って一方の端部５９５及び他方の端部５９６に流れ、これに伴ってノイズが外部に放射される。太実線で図示されるノイズ電流及び放射ノイズは、電流及びノイズの大きさが比較的大きいことを意味する。これにより、周辺機器に電波障害をもたらすおそれがある。

一方、図６（ａ）に示す本実施形態のシャフト５０１は、径方向において導電層５１及び軸心５４の二層構造であり、且つ、導電層５１は環状分断部７１により軸方向に分割されている。ノイズ源からシャフト５０１の軸方向中間部に伝搬されたノイズ電流は、環状分断部７１を起点として導電層５１及び軸心５４の二つの経路に分かれて一方の端部及び他方の端部に向かって流れ、両端部の導通部５５、５６で合流する。Ｅ１部、Ｅ２部に示すように、このとき、互いに逆方向のノイズ電流が打ち消し合うため、外部へ放射されるノイズが低減される。細破線で図示されるノイズ電流及び放射ノイズは、電流及びノイズの大きさが比較的小さいことを意味する。これにより、周辺機器への電波障害の影響を低減することができる。

本実施形態のように回転電機１０がブラシ付きモータである場合、ブラシ３３、３４と整流子４３との接触により発生する火花がノイズ源となるため、放射ノイズの低減効果が特に有効に発揮される。また、環状分断部７１は、図１に示すように、シャフト５０１の軸方向において、整流子４３に対応する範囲に位置していることが効果的である。これにより、ノイズ電流が多く伝搬される位置に環状分断部７１を効果的に配置することができる。或いは、環状分断部７１は、シャフト５０１の軸方向において、回転子４０に対応する範囲に位置するようにしてもよい。

本実施形態では、シャフト５０１の全体積のうち大部分が金属製の導電層５１及び軸心５４で構成されていることにより、回転軸としての強度を確保することができる。また、導電層５１及び軸心５４に分散して流れるノイズ電流が末端の導通部５５、５６で逆方向に合流して打ち消し合うことにより、放射ノイズを好適に低減することができる。

さらに本実施形態では、環状分断部７１、及び、導電層５１と軸心５４との間に絶縁材である樹脂が充填されていることにより、ノイズ電流経路間の絶縁性を確保しつつ、導電層５１及び軸心５４を安定的に保持することができる。また、インサート成形等の工法により、容易に製造することができる。

次に、第２、第３、第４実施形態のシャフトの構成について、第１実施形態の図５に対応する軸方向断面図である図７、図８、図９を参照して説明する。以下の実施形態の説明で、第１実施形態と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
なお、各実施形態の導通部５５、５６の構成は、第１実施形態で説明した圧入又は溶着のいずれの構成を採用してもよい。

（第２実施形態）
図７に示す第２実施形態のシャフト５０２は、径方向の最外層である導電層５１と軸心５４との間に別の導電層５２を有し、三層構造をなす。ここで、導電層５１を「第一導電層５１」とし、中間層である導電層５２を「第二導電層５２」とする。第一導電層５１は、環状分断部７１によって二つの導電層要素５１１、５１２に分割されている。同様に第二導電層５２は、環状分断部７２によって二つの導電層要素５２１、５２２に分割されている。径方向における第一導電層５１と第二導電層５２との間、及び、第二導電層５２と軸心５４との間にはそれぞれ樹脂が充填され、第一絶縁層６１及び第二絶縁層６２が形成されている。両端部の導通部５５、５６は、全ての導電層５１、５２及び軸心５４の間を導通させる。

第２実施形態の変形例として、三層の導電層と軸心５４とからなる四層構造、或いは、更に多くの導電層からなる多層構造のシャフトとしてもよい。
例えばシャフトの径が比較的太い場合、軸心５４の外側に二層以上の導電層を設けることにより、一層当たりの断面積を小さくし、ノイズ電流を分散させやすくなる。

（第３実施形態）
図８に示す第３実施形態のシャフト５０３は、導通部５５、５６よりも軸方向の端部側に、それぞれ、導電層要素５１１、５１２から延長する延長導電部５７、５８が設けられている。延長導電部５７、５８の内側には、樹脂が充填された末端絶縁部６７、６８が形成されている。

このように、導通部５５、５６の一方又は両方は、軸方向の端部に限らず、環状分断部７１に対し端部側であれば、シャフト端部以外の位置に設けられてもよい。また、導通部５５、５６よりも端部側に延長導電部５７、５８を設けず、シャフトの断面全体を樹脂で充填してもよい。

（第４実施形態）
図９に示す第４実施形態のシャフト５０４は、導電層５１が軸方向の二箇所の環状分断部７１１、７１２によって三つの導電層要素５１１、５１２、５１３に分割されている。中間の導電層要素５１３は、環状分断部７１１、７１２に充填された樹脂により保持されている。一方の導通部５５は、環状分断部７１１に対し上端部側に設けられており、他方の導通部５６は、環状分断部７１２に対し下端部側に設けられている。
このように、導電層５１は、軸方向の二箇所以上で環状分断部によって分割されてもよい。また、第２実施形態との組み合わせとして、二層以上の導電層がそれぞれ二箇所以上で環状分断部によって分割されてもよい。

（その他の実施形態）
（ａ）環状分断部、導電層同士の間、及び、導電層と軸心との間に充填される絶縁材として、樹脂に代えてセラミック等を用いてもよい。また、導電層の保持が可能であれば、絶縁材を充填せず、空気層によって絶縁機能を確保してもよい。

（ｂ）本発明の回転電機は、上記実施形態に示したブラシ付きＤＣモータに限らない。例えば、固定子に巻回された多相コイルへの通電を順次切り替えることにより、永久磁石（界磁発生源）が設けられた回転子が固定子の内側を回転するブラシレスモータ等に適用されてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０・・・回転電機、
２０・・・ハウジング、
３０・・・固定子、 ３１、３２・・・界磁発生源、 ３３、３４・・・ブラシ、
４２・・・電機子コイル、 ４３・・・整流子、
５０１−５０４・・・シャフト、
５１、５２・・・導電層、 ５４・・・軸心、 ５５、５６・・・導通部、
６１、６２・・・絶縁層、
７１、７２・・・環状分断部。

Claims (6)

1. 回転軸であるシャフト（５０１−５０４）と、
   前記シャフトに接続された回転子（４０）と、
   前記回転子と相互作用し、前記回転子に回転力を発生させる固定子（３０）と、
   前記回転子及び前記固定子を収容し、または、前記回転子を収容しつつ前記固定子として機能するハウジング（２０）と、
   前記回転子または前記固定子の一方に巻回され、電源から通電される電機子コイル（４２）と、
   前記固定子または前記回転子の他方に設けられ、前記電機子コイルに界磁を与える界磁発生源（３１、３２）と、
   を備え、
   前記シャフトは、
   導電性の軸心（５４）、前記軸心の径方向外側を囲み、一つ以上の環状分断部（７１、７２）によって軸方向に分割された一層以上の導電層（５１、５２）、及び、前記環状分断部に対し一方及び他方の端部側に設けられ、各前記導電層及び前記軸心の間を導通させる二つの導通部（５５、５６）を有する回転電機。
2. 前記シャフトの軸方向における一つ以上の前記環状分断部、並びに、前記シャフトの径方向における前記導電層同士の間、及び、前記導電層と前記軸心との間（６１、６２）には、絶縁材が充填されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記シャフトに固定される複数の整流子片を含む整流子（４３）と、
   前記ハウジングに保持され、前記回転子の回転時に前記整流子に摺接される一対以上のブラシ（３３、３４）と、
   をさらに備え、
   前記ブラシと前記整流子との接触により前記電機子コイルに流れる電流の向きが切り替わる請求項１または２に記載の回転電機。
4. 一つ以上の前記環状分断部は、前記シャフトの軸方向において、前記整流子または前記回転子に対応する範囲に位置している請求項３に記載の回転電機。
5. 前記導通部は、各前記導電層及び前記軸心に当接する金属部材で構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記導通部において、各前記導電層及び前記軸心は溶着状態となっている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。

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