JP2018170898A - 複数ブラシ付ｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】整流子及びブラシを有するＤＣモータにおいて、回転子を大型化や重量化を招くことなく、アークの発生を確実に防止することができるＤＣモータを提供する。【解決手段】ブラシと、該ブラシに対して回転可能に配設された回転子１０３と、前記回転子と共に回転しつつ前記ブラシの少なくとも一部と摺接することでコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃに電源電位１４０を供給する整流子１１０と、を備える直流モータ１００であって、前記ブラシは１対の主ブラシ１１２、１１４と、１対の副ブラシ１１８、１２０と、を備え、主ブラシは前記整流子と摺接することにより前記コイルを前記電源電位及び接地電位１３１の各々に接続し、該１対の主ブラシの少なくとも一方がスイッチング素子１２８を介して前記電源電位及び前記接地電位に接続され、副ブラシは前記スイッチング素子のオン／オフを制御する駆動電位１３５を該スイッチング素子に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣモータに関するものであり、特に、整流子及びブラシを有するＤＣモータに関する。

一般に、整流子とブラシとを備えた直流（ＤＣ：Direct-Current）モータでは、回転子と共に回転する整流子にブラシを摺接させることにより、該回転子に搭載されたコイルに供給する電力の極性を切り換えている。このようなＤＣモータでは、整流子とブラシとが離れるタイミングにおいて、該コイルのインダクタンスに基づく逆起電圧が該コイルに生じ、整流子とブラシとの間にアークが生じるような場合がある。

ブラシと整流子との間でアークが発生すると、ブラシ及び整流子の摺接面が損傷し、該摺接面に凹凸が形成されるため、ブラシと整流子との接触抵抗が大幅に増加する。この結果、ブラシ及び整流子との摺接面における電圧降下が増大してコイルへの印加電圧が低下するため、モータの出力トルクが低下し易くなる。また、ブラシと整流子との摺動摩擦も増大することから、回転子が振動する要因となり、モータの動作が不安定となる。

整流子とブラシとの間で発生するアークを防止する手段としては、例えば、セラミックバリスタなどのアーク吸収素子を回転子に搭載し、該アーク吸収素子を整流子に接続したＤＣモータが公知である（例えば、特許文献１）。このようなＤＣモータによれば、整流子とブラシとが離間するタイミングにおいて生じるリアクタンス電圧を該アーク吸収素子が吸収するため、整流子とブラシとの間で生ずるアークを大幅に低減することができる。

しかしながら、アーク吸収素子を構成するセラミックバリスタは、非線形な電圧電流特性を有しており、その材質などによっては、低電圧印加時のインピーダンスが、整流子やコイルにより構成される抵抗成分よりも大幅に大きくなるような場合がある。このため、コイルで生じるリアクタンス電圧の大きさによっては、当該セラミックバリスタにおいてアーク発生の要因となる逆起電圧を必ずしも吸収できないような場合があり、このような場合は整流子とブラシとの間に生ずるアークを十分に抑制することができない。

また、回転子内にはアーク吸収素子用の実装スペースを確保する必要があることから、アーク吸収素子の搭載数によっては、回転子の大型化及び重量化を招来し、この結果、モータの回転加速性能が劣化するというＤＣモータの特性上の問題も生じ得る。

特開２００２―３４５２１４号公報

このような背景から、整流子及びブラシを有するＤＣモータにおいて、回転子の大型化や重量化を招くことなく、アークの発生を確実に防止することができるＤＣモータが望まれている。

本発明の一の態様は、ブラシと、該ブラシに対して回転可能に配設された回転子と、前記回転子に設けられたコイルと、前記回転子と共に回転しつつ前記ブラシの少なくとも一部と摺接することで前記コイルに電源電位を供給する整流子と、を備える直流モータである。前記ブラシは、前記整流子と摺接することにより前記コイルを前記電源電位及び接地電位の各々に接続する１対の主ブラシであって、該１対の主ブラシの少なくとも一方がスイッチング素子を介して前記電源電位及び前記接地電位に接続されている１対の主ブラシと、前記スイッチング素子のオン／オフを制御する駆動電位を該スイッチング素子に供給する１対の副ブラシと、を備える。
本発明の他の態様によると、前記１対の副ブラシの一方の副ブラシは前記駆動電位に接続されると共に、前記１対の副ブラシの他方の副ブラシは前記スイッチング素子に前記駆動電位を供給する駆動端子に接続されており、前記回転子と共に回転しつつ前記一方の副ブラシ及び他方の副ブラシの両方と摺接する導電体が前記一方の副ブラシ及び他方の副ブラシを短絡させることにより、前記一方の副ブラシから前記他方の副ブラシを介して前記スイッチング素子に前記駆動電位を供給する。
本発明の他の態様によると、前記導電体は、前記整流子である。
本発明の他の態様によると、前記導電体は、前記整流子と隣接するように設けられた導電パターンである。
本発明の他の態様によると、前記整流子が前記１対の主ブラシの各々に摺接した後に前記導電体が前記１対の副ブラシの両方に摺接することにより、前記コイルは前記スイッチング素子を介して前記電源電位または前記接地電位に接続される。
本発明の他の態様によると、前記１対の副ブラシの各々は、前記回転子の回転軸方向に隣接して配置される。
本発明の他の態様によると、前記スイッチング素子は電界効果トランジスタであり、前記１対の副ブラシは該電界効果トランジスタのオン電圧以上の前記駆動電位を該電界効果トランジスタのゲートに供給する。

本発明の実施形態に係るＤＣモータの全体構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るＤＣモータの等価回路を示す図である。 本発明の実施形態に係るＤＣモータのブラシ及び整流子の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るＤＣモータのコイルに通電されるタイミングを示す図である。 本発明の実施形態に係るＤＣモータの変形例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。まず、本実施形態に係るＤＣモータの構成について説明する。図１は、本実施形態に係るＤＣモータ１００の全体構成を示す模式図である。また、図２は、本実施形態に係るＤＣモータ１００が構成する電気回路の等価回路を示す図である。

本実施形態のＤＣモータ１００は、銅線などの巻線で構成される３つのコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを備える回転子１０３と、回転子１０３の両側に当該回転子１０３を挟むように配置された一対の永久磁石１０４、１０５と、該回転子１０３の回転軸となる回転軸１０８と、該回転軸１０８に設けられた３つの導電体（例えば、銅）である第１セグメント１１０ａ、第２セグメント１１０ｂ、第３セグメント（不図示）で構成される整流子１１０と、該整流子１１０と接するように配置された１対の主ブラシ１１２、１１４と、を有している。

また、本実施形態のＤＣモータ１００の整流子１１０を構成する各セグメントは、コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃを構成する各巻線の両端部と電気的に接続されている。本実施形態では、例えば、第１セグメント１１０ａはコイル１０２ａの一端及びコイル１０２ｂの一端と接続され、第２セグメント１１０ｂはコイル１０２ａの他端及びコイル１０２ｃの一端とに接続され、第３セグメント（不図示）はコイル１０２ｃの他端及びコイル１０２ｂの他端と接続されている。

また、整流子１１０を構成する各セグメントには、主ブラシ１１２、１１４が摺接することにより、該主ブラシ１１２、１１４から、上記コイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの各々に電源が供給される。なお、主ブラシ１１２、１１４の各々は、例えば、同一形状、同一の大きさであって、整流子１１０の各セグメントと摺接する摺接面積の最大面積も同一となるように構成されている。

ここで、特に、本実施形態のＤＣモータ１００では、１対の主ブラシ１１２、１１４のうち、一方の主ブラシ１１２は、直流電源（不図示）の正極に接続された電源ライン１４０と接続されているが、他方の主ブラシ１１４については、スイッチング素子１２８、例えば電界効果トランジスタに接続されている。本実施形態では、主ブラシ１１４は、当該電界効果トランジスタを構成するドレイン電極に接続されており、さらに、当該電界効果トランジスタのソース電極を介して該直流電源の接地電位１３１に接続されるように構成されている

さらに、本実施形態のＤＣモータ１００では、回転軸１０８が延在する方向に１対に副ブラシ１１８、１２０が隣接して配置されている。副ブラシ１２０は、上記スイッチング素子１２８である電界効果トランジスタのゲート端子１２９に接続されており、さらに、副ブラシ１１８は、該電界効果トランジスタのソース／ドレイン間がオンするゲート電圧以上の駆動電圧を供給する駆動ライン１３５に接続されている。なお、副ブラシ１１８、１２０の各々は、例えば、同一形状、同一の大きさであって、整流子１１０を構成する各セグメントと摺接する摺接面積の最大面積も同一となるように構成されている。

次に、本実施形態のＤＣモータ１００が構成する電気回路について、図２の等価回路を用いて説明する。図２は、図１に示す本実施形態のＤＣモータを構成する３つのコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのうち、コイル１０２ａによって構成される回路の等価回路を示すものである。本実施形態のＤＣモータ１００が構成する電気回路は、例えば、コイル１０２ａ、当該コイル１０２ａに接続されたスイッチ２５２ａ、２５２ｂ、スイッチング素子１２８である電界効果トランジスタ、当該電界効果トランジスタのゲート１２９に接続されるスイッチ２５４で示すことができる。

ここで、スイッチ２５２ａ、２５２ｂは、コイル１０２ａの巻線の一端に接続された整流子１１０を構成する２つのセグメント１１０ａ、１１０ｂと主ブラシ１１２、１１４との摺接により構成されるスイッチである。スイッチ２５２ａ、２５２ｂは、回転軸１０８の回転により、セグメント１１０ａが主ブラシ１１２と接すると共にセグメント１１０ｂが主ブラシ１１４と接することでコイル１０２ａに所定の方向に電流を流す場合と、セグメント１１０ａ、１１０ｂと主ブラシ１１２、１１４とが接することなくコイル１０２ａに電源が供給されない場合と、セグメント１１０ａが主ブラシ１１４と接すると共にセグメント１１０ｂが主ブラシ１１２と接することでコイル１０２ａに前記所定の方向とは逆方向に電流が流す場合とを順に繰り返すように切り換えられる。

また、スイッチ２５２ｂ（主ブラシ１１４）と接地電位１３１との間には、スイッチング素子１２８である電界効果トランジスタが設けられており、例えば、当該電界効果トランジスタのドレイン端子がスイッチ２５２ｂと接続され、当該電界効果トランジスタのソース端子が接地電位１３１と接続されている。

また、スイッチング素子１２８である電界効果トランジスタのゲート端子１２９は、スイッチ２５４の一端と接続されている。スイッチ２５４は、図１において、副ブラシ１１８、１２０とで構成されるスイッチであって、回転軸１０８の回転に応じて、整流子１１０を構成する各セグメントの導電体が、副ブラシ１１８と副ブラシ１２０とを短絡する場合（スイッチ２５４がオン）と、該導電体が離脱して副ブラシ１１８と副ブラシ１２０との短絡が解除される場合（スイッチ２５４がオフ）との２つの状態を交互に繰り返す。

ここで、副ブラシ１１８、１２０の両者が短絡されて場合（スイッチ２５４がオンした場合）、駆動ライン１３５の駆動電位が、副ブラシ１１８及び副ブラシ１２０を介して、前記電界効果トランジスタのゲート端子１２９に印加されて、スイッチング素子１２８である電界効果トランジスタのソース／ドレイン間がオンすることとなる。この結果、主ブラシ１１４が、電界効果トランジスタのソース／ドレインを通じて接地電位１３１に接続されることとなる。また、副ブラシ１１８と副ブラシ１２０との接続が解除される場合（スイッチ２５４がオフ）には、当該電界効果トランジスタがオフし、主ブラシ１１４と接地電位１３１との接続が解除される。

次に、図３は、本実施形態のＤＣモータ１００の回転軸１０８に設けられた整流子１１０、主ブラシ１１２、１１４、及び、副ブラシ１１８、１２０の詳細を示した図である。なお、図３では、整流子１１０を構成する３つの前記セグメントのうちの一つのセグメントと、主ブラシ及び副ブラシのうち、該整流子１１０と摺接する部分３１４、３１８、３２０のみが示されている。

主ブラシ１１４において、該整流子１１０と摺接する部分３１４（摺接部分３１４）の図示上下方向の長さは、副ブラシ１１８、１２０が該整流子１１０と摺接する部分３１８、３２０（摺接部分３１８、３２０）の図示上下方向の長さよりも短く、また、摺接部分３１４の図示最上部から図示最下部までの間に、摺接部分３１８、３２０の図示最上部と図示最下部が位置するように主ブラシ１１４と、副ブラシ１１８、１２０が配置されている。

次に、本実施形態のＤＣモータ１００が動作するタイミングについて、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態のＤＣモータ１００が半回転する間の動作を示したものであり、図示最下段は図３の図示Ｂ方向からみた回転軸１０８、主ブラシ１１４の摺接部分３１４、副ブラシ１１８、１２０の摺接部分３１８、３２０及び整流子１１０の各々の断面であり、図示中段は整流子１１０と主ブラシ１１４の摺接部分３１４によるスイッチ（図２のスイッチ２５２ａ、２５２ｂ）の動作タイミングであり、図示上段は整流子１１０と副ブラシ１１８、１２０の摺接部分３１８、３２０によるスイッチ（図２のスイッチ２５４）の動作タイミングである。

ここで、回転軸１０８が、例えば、図３のＡ方向に回転した場合、整流子１１０は、まず、主ブラシ１１４の摺接部分３１４の図示最上部に接する（図４（ｂ））。これにより、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４とは機械的に接続されて、図２の等価回路におけるスイッチ２５２ａ、２５２ｂがオンされた状態となる。しかし、この状態では、スイッチング素子１２８がオンされていないため、コイル１０２ａに電流は流れることはない。

次に、整流子１１０は、副ブラシ１１８、１２０の摺接部分３１８、３２０の図示最上部に達すると（図４（ｃ））、導電体である整流子１１０は摺接部分３１８と３２０とに接することにより、副ブラシ１１８と副ブラシ１２０とが短絡し、図２の等価回路に示すスイッチ２５４がオンした状態となる。これにより、駆動ライン１３５の駆動電位がスイッチング素子１２８である前記電界効果トランジスタのゲート端子１２９に印加され、前記電界効果トランジスタのソース／ドレイン間がオンすることとなる。これにより、コイル１０２ａと接地電位１３１が電気的に接続されることとなり、コイル１０２ａへの通電が開始される。そして、整流子１１０と各ブラシとが摺接している間（図４（ｄ））は、コイル１０２ａへの通電が継続されることとなる。

また、さらに回転が進むと、整流子１１０は、副ブラシ１１８、１２０の摺接部分３１８、３２０の図示最下部から離脱し（図４（ｅ））、これにより、スイッチング素子１２８である前記電界効果トランジスタのゲート端子１２９と駆動ライン１３５との接続が解除（図２のスイッチ２５４がオフ）される。これにより、スイッチング素子１２８がオフされて、コイル１０２ａへの通電が停止されることとなる。

ここで、スイッチング素子１２８がオフされた瞬間に、コイル１０２ａにはインダクタス成分に蓄積されたエネルギが放出されることとなり、当該スイッチング素子１２８がオフされる前までに通電されていた方向とは逆の方向に対して電流を流そうとする逆起電力が生じる。しかし、本実施形態のＤＣモータ１００では、逆方向の起電力が生じた瞬間においても、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４との機械的な接続は維持されているため、従来技術のように、離間した整流子１１０及び主ブラシ１１４との間において、アークが生じることがない。また、インダクタス成分に蓄積されたエネルギにより生じた誘導電流の大部分は、コイル１０２ａとの接続が維持された一部の回路（整流子、ブラシ、配線、スイッチング素子などの抵抗成分）において消費されるため、当該エネルギが大幅に低減されることとなる。

そして、整流子１１０は、主ブラシ１１４の摺接部分３１４の図示最下部から離間して（図４（ｆ））、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４との機械的な接続が解除されることとなる。しかし、本実施形態のＤＣモータ１００では、上述のように、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４との機械的な接続が解除される直前に、スイッチング素子１２８をオフしてコイル１０２ａへの通電を停止すると共にコイル１０２ａから放出されるエネルギの大部分が消費されるため、図４（ｆ）のような整流子１１０と主ブラシ１１４とが離れるようなタイミングにおいても、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４との間にアークが発生することはない。

このように、本実施形態のＤＣモータ１００では、主ブラシ１１４と電源の接地電位１３１との間にスイッチング素子１２８が設けられている。そして、整流子１１０と主ブラシ１１４との機械的な接続が解除される直前に当該スイッチング素子をオフしてコイル１０２ａへの通電を停止しているため、整流子１１０と主ブラシ１１４との間にアークが発生することがなく、この結果、摺動面の荒れによる表面劣化や摺動摩耗が抑制される。さらに、本実施形態のＤＣモータ１００では、従来技術のような回転子側にアーク防止素子などの重量物を搭載してアークを防止する構成を有していないため、回転子１０３を大型化、重量化させることなく、ＤＣモータのブラシ及び整流子間で生じ得るアークを確実に防止することができる。

なお、本実施形態のＤＣモータ１００では、主ブラシ１１４と電源の接地電位１３１との間にスイッチング素子１２８を設けて、当該スイッチング素子１２８をオン／オフする構成としたが、このような実施形態に限らず、ブラシと整流子との機械的な接続が解除される以前に当該ブラシと整流子との電気的な接続を解除するという構成が実現でき得る限りにおいて、本実施形態のＤＣモータ１００の任意の箇所に、上述のようなスイッチング素子を設けることができる。例えば、本実施形態のＤＣモータ１００において、主ブラシ１１４と電源の接地電位１３１との間にスイッチング素子１２８を設けることに代えて、または、主ブラシ１１４と電源の接地電位１３１との間に設けられたスイッチング素子１２８と同時に、主ブラシ１１２と電源ライン１４０の電源電位との間に、新たなスイッチング素子を設けてもよい。

また、スイッチング素子１２８は、電界効果トランジスタに限るものではなく、例えばバイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＳＳＲ（Solid-State Relay）などの任意のスイッチング素子を使用することができる。

さらに、本実施形態のＤＣモータ１００では、１つの整流子１１０で主ブラシ１１２、１１４及び副ブラシ１１８、１２０のスイッチング制御するものとしたが、このような実施例に限られるものではない。例えば、主ブラシ１１２、１１４と摺接する整流子とは別に、副ブラシ１１８、１２０をスイッチングするための別の導電体を設けても良い。

例えば、図５は、本実施形態のＤＣモータ１００の変形例であり、ＤＣモータ１００に代えて用いることのできるＤＣモータ５００の回転軸５０８及びブラシ近傍の構成図を示している。なお、図５に示すＤＣモータ１００と同じ構成要素については図２と同じ符号を用いて示すものとし、上述した図２についての説明を援用するものとする。

図５に示すＤＣモータ１００の回転軸１０８には、主ブラシ１１２、１１４のみに摺接する整流子５１０と、副ブラシ１１８、１２０の摺接部分３１８、３２０とのみ摺接する導電体である導電パターン５５０（例えば、銅箔）が設けられている。導電パターン５５０は、整流子５１０に隣接するように設けられている。

ここで、整流子５１０には、回転子１０３に搭載された各コイルが接続されている。一方、導電パターン５５０は、整流子５１０及びコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃとは接続されていない。これにより、副ブラシ１１８、１２０の摺接部分３１８、３２０を、整流子５１０及びコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと絶縁された導電パターン５５０を用いて短絡し、スイッチング素子１２８が駆動することができるため、当該ＤＣモータ５００を構成する他の電気回路からの信号の影響を抑制し、当該スイッチング素子１２８のオン／オフを精密に制御することができる。

以上、説明したように、本発明のＤＣモータ１００、５００は、ブラシと、該ブラシに対して回転可能に配設された回転子１０３と、前記回転子１０３に設けられたコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと、前記回転子と共に回転しつつ前記ブラシの少なくとも一部と摺接することで前記コイルに電源電位１４０を供給する整流子１１０と、を備える直流モータである。前記ブラシは、前記整流子１１０と摺接することにより前記コイルを前記電源電位及び接地電位の各々に接続する１対の主ブラシ１１２、１１４であって、該１対の主ブラシの少なくとも一方がスイッチング素子１２８を介して前記電源電位１４０及び前記接地電位１３１に接続されている１対の主ブラシと、前記スイッチング素子１２８のオン／オフを制御する駆動ライン１３５の駆動電位を該スイッチング素子１２８に供給する１対の副ブラシ１１８、１２０と、を備える。これにより、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４との機械的な接続が解除される直前に当該スイッチング素子１２８をオフしてコイル１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃへの通電を停止しているため、整流子１１０と主ブラシ１１２、１１４との間にアークが発生することがない。また、本実施形態のＤＣモータ１００では、回転子にアーク防止素子などの重量物を搭載する必要がないため、回転子を大型化、重量化させることなく、ＤＣモータのブラシ及び整流子間で生じ得るアークを確実に防止することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において改変して用いることができる。

１００、５００・・ＤＣモータ、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ・・・コイル、１０３・・・回転子、１０４、１０５・・・永久磁石、１１０、１１０ａ、１１０ｂ・・・整流子、１１２、１１４・・・主ブラシ、１１８、１２０・・・副ブラシ、１２９・・・スイッチング素子、１３０、１３２・・・抵抗、１３１・・・接地電位、１３５・・・駆動ライン、１４０・・・電源ライン、５５０・・・導電パターン。

Claims (7)

1. ブラシと、該ブラシに対して回転可能に配設された回転子と、前記回転子に設けられたコイルと、前記回転子と共に回転しつつ前記ブラシの少なくとも一部と摺接することで前記コイルに電源電位を供給する整流子と、を備える直流モータであって、
   前記ブラシは、
   前記整流子と摺接することにより前記コイルを前記電源電位及び接地電位の各々に接続する１対の主ブラシであって、該１対の主ブラシの少なくとも一方がスイッチング素子を介して前記電源電位及び前記接地電位に接続されている１対の主ブラシと、
   前記スイッチング素子のオン／オフを制御する駆動電位を該スイッチング素子に供給する１対の副ブラシと、
   を備える、
   直流モータ。
2. 前記１対の副ブラシの一方の副ブラシは前記駆動電位に接続されると共に、前記１対の副ブラシの他方の副ブラシは前記スイッチング素子に前記駆動電位を供給する駆動端子に接続されており、
   前記回転子と共に回転しつつ前記一方の副ブラシ及び他方の副ブラシの両方と摺接する導電体が前記一方の副ブラシ及び他方の副ブラシを短絡させることにより、前記一方の副ブラシから前記他方の副ブラシを介して前記スイッチング素子に前記駆動電位を供給する、
   請求項１に記載の直流モータ。
3. 前記導電体は、前記整流子である、
   請求項２に記載の直流モータ。
4. 前記導電体は、前記整流子と隣接するように設けられた導電パターンである、
   請求項２に記載の直流モータ。
5. 前記整流子が前記１対の主ブラシの各々に摺接した後に前記導電体が前記１対の副ブラシの両方に摺接することにより、前記コイルは前記スイッチング素子を介して前記電源電位または前記接地電位に接続される、
   請求項２ないし４のいずれか一項に記載の直流モータ。
6. 前記１対の副ブラシの各々は、前記回転子の回転軸方向に隣接して配置される、
   請求項１ないし５のいずれか一項に記載の直流モータ。
7. 前記スイッチング素子は電界効果トランジスタであり、
   前記１対の副ブラシは該電界効果トランジスタのオン電圧以上の前記駆動電位を該電界効果トランジスタのゲートに供給する、
   請求項１ないし６のいずれか一項に記載の直流モータ。