JP2018170898A - 複数ブラシ付dcモータ - Google Patents
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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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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JP (1) | JP2018170898A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020054085A1 (ja) | 2018-09-12 | 2020-03-19 | 春日電機株式会社 | 除電装置及びプラズマ発生装置 |
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2017
- 2017-03-30 JP JP2017067713A patent/JP2018170898A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2020054085A1 (ja) | 2018-09-12 | 2020-03-19 | 春日電機株式会社 | 除電装置及びプラズマ発生装置 |
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