JP2019134593A - ４極２ブラシの電動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】４極モータにおいて発生し易い伝導エミッションを有効に低減することができる電動モータを提供する。【解決手段】一対のブラシ５０，５０の成す角度αが、一対のブラシ５０，５０のいずれか一方のみがコンミテータ片４１を跨いで切り替わる第１の角度と、該一対のブラシ５０，５０のいずれもがコンミテータ片４１を跨いで切り替わる第２角度との中間角度であることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、筒状のフレームの内面の周方向に交互に磁極が異なるように固定された４極
の永久磁石と、該フレーム内に回転自在に支持された回転軸と、該回転軸に固定されたコ
アと、該コアに形成された複数のスロットと、該複数のスロット間に巻線されたコイルと
、該回転軸に固定され、導電材からなるコンミテータ片を周方向に並べ、該コンミテータ
片を該コイルと電気的に接続したコンミテータと、該コンミテータの表面に摺動する一対
のブラシとを備える４極２ブラシの電動モータに関する。

従来、この種の電動モータとしては、円筒形のフレームに２つの永久磁石が相対向して
設けられた２極モータと、４つの永久磁石が相対向して設けられた４極モータとがある。
２極モータと４極モータとを比較した場合、４極モータは、２極モータに比して、振動お
よび騒音が発生し易いことが知られている。

また、本願発明者らの試験研究によれば、４極モータでは、特に、放射エミッションお
よび伝導エミッションのうち、伝導エミッションが発生し易く、電磁適合性（ＥＭＣ）を
改善させる必要があるとの知見を得た。

電動モータにおけるＥＭＣ対策としては、下記特許文献１に示すように、モータハウジ
ングとエンドキャップとの装着状態を改善することにより、放射エミッションを改善する
ものがあるが、伝導エミッションに対する有効な対策はなく、伝導エミッションに対する
有効な対策が望まれている。

特開２０１０−１３０８９８号公報

以上の事情に鑑みて、本発明は、４極モータにおいて発生し易い伝導エミッションを有
効に低減することができる電動モータを提供することを目的とする。

第１発明の４極２ブラシの電動モータは、筒状のフレームの内面の周方向に交互に磁極
が異なるように固定された４極の永久磁石と、該フレーム内に回転自在に支持された回転
軸と、該回転軸に固定されたコアと、該コアに形成された複数のスロットと、該複数のス
ロット間に巻線されたコイルと、該回転軸に固定され、導電材からなるコンミテータ片を
周方向に並べ、該コンミテータ片を該コイルと電気的に接続したコンミテータと、所定角
度を成して位置し、該コンミテータの表面に摺動する一対のブラシと、等電位となるべき
該コンミテータ片を接続する均圧手段とを備える４極２ブラシの電動モータであって、
前記一対のブラシの成す角度が、該一対のブラシのいずれか一方のみが前記コンミテー
タ片を跨いで切り替わる第１の角度と、該一対のブラシのいずれもが該コンミテータ片を
跨いで切り替わる第２角度との中間角度であることを特徴とする。

ここで、本願発明者らは鋭意の試験研究により、伝導エミッションは、ブラシとコンミ
テータとの間のスイッチングに起因するとの知見を得た。

第１発明の４極２ブラシの電動モータは、かかる知見に基づくものであり、一対のブラ
シの成す角度を、一対のブラシのいずれか一方のみがコンミテータ片を跨いで切り替わる
第１の角度と、一対のブラシのいずれもがコンミテータ片を跨いで切り替わる第２角度と
の中間角度とすることで、スイッチングの切り替わりのタイミングを変更することができ
、伝導エミッションを有効に低減することができる。

このように、第１発明の４極２ブラシの電動モータは、４極モータにおいて発生し易い
伝導エミッションを有効に低減することができる。

第２発明の４極２ブラシの電動モータは、第１発明において、
前記一対のブラシの成す角度は、前記永久磁石の極数と、前記スロットの数と、前記コ
ンミテータ片の数との最小公倍数を基本次数とし、該基本次数の伝導エミッションが最小
となる前記中間角度であることを特徴とする。

第２発明の４極２ブラシの電動モータは、複数の第１角度および複数の第２角度の組み
合わせによる複数の中間角度の中から、より最適な一対のブラシの成す角を決定する際に
、永久磁石の極数と、スロットの数と、コンミテータ片の数との最小公倍数を基本次数と
して、該基本次数の伝導エミッションが最小となる中間角度を選択することで、伝導エミ
ッションを最も効果的に低減することができる。

このように、第２発明の４極２ブラシの電動モータは、４極モータにおいて発生し易い
伝導エミッションを最も効果的に低減することができる。

第３発明の４極２ブラシの電動モータは、第２発明において、
前記第１の角度が９０°で、前記スロットの数が１４で、前記コンミテータ片の数が１
４であって、前記基本次数の２８次の伝導エミッションが最小となる前記中間角度が８３
．５°であることを特徴とする。

第３発明の４極２ブラシの電動モータによれば、具体的に、第１の角度が９０°で、ス
ロットの数が１４で、コンミテータ片の数が１４であって、基本次数の２８次の伝導エミ
ッションが最小となる中間角度が８３．５°となる。

このようにして一対のブラシの成す角を８３．５°とすることで、シミュレーション結
果および実測値において、伝導エミッションが有効に低減させることができることが確認
された。

このように、第３発明の４極２ブラシの電動モータは、４極モータにおいて発生し易い
伝導エミッションを実際に有効に低減することができる。

本実施形態の４極２ブラシの電動モータを示す説明図。 図１の４極２ブラシの電動モータの特性を示す説明図。 図１の４極２ブラシの電動モータの特性を示す説明図。 図１の４極２ブラシの電動モータの変更後の特性を示す説明図。 図１の４極２ブラシの電動モータの変更後の特性を示す説明図。

図１を参照して、本実施形態の電動モータの構成について説明する。

本実施形態の電動モータ１は、いわゆる４極２ブラシの電動モータである。

具体的には、電動モータ１は、筒状のフレーム１０の内面の周方向に交互に磁極が異な
るように固定された４極の永久磁石１１と、フレーム１０内に回転自在に支持された回転
軸２０と、回転軸２０に固定されたコア３０と、コンミテータ４０と、コンミテータの表
面を摺動する一対のブラシ５０と、一対のブラシ５０を支持するブラシホルダ６０とを備
える。

コア３０は、図１に部分分解図として示すように、複数のスロット３１（スロットの数
は１４）が形成される。そして、複数のスロット３１間には、コイル３２が巻線されてい
る。

コンミテータ４０は、図１に部分分解図として示すように、導電材からなるコンミテー
タ片４１を周方向に並べ（コンミテータ片の数は１４）、コンミテータ片４１はコイル３
２と電気的に接続されている。

また、コンミテータ片４１は、等電位となるべきコンミテータ片４１同士が均圧手段と
しての均圧線（図示省略）により電気的に接続されている。なお、均圧手段は、均圧線に
限られるものではなく、等電位となるべきコンミテータ片４１同士が電気的に接続されれ
ば、コイル同士を接続するようにしてもよい。

ブラシホルダ６０は、合成樹脂製のホルダであって、中空円形の環状枠６１と、環状枠
６１から放射状に、例えば４方向（９０度間隔）に伸びた脚部６２とを備える。

環状枠６１には、傾斜した筒状の部材であって、一対のブラシ５０を内蔵して支持する
一対のブラシロッカー部６３が設けられている。一対のブラシロッカー部６３の間の成す
角度αは、通常、９０度となっている。

ブラシ５０は、図示しない付勢手段（例えば、コイルバネ）により周方向内方に付勢さ
れ、コンミテータ片４１と対向するブラシ５０の摺動面５１が、コンミテータ片４１に押
し当てられる。また、ブラシ５０は、摺動面５１と反対側に、ブラシロッカー部６３の切
欠きから導出されるピグテル線５２が接続されており、ピグテル線５２を介して、接続端
子であるコネクタ部（図示省略）に電気的に接続される。

また、脚部６２は、エンドカバーの内側面やフレーム１０などに防振ゴムを介して嵌合
している。

以上のように構成された電動モータ１は、図２Ａに模式的に示すように、回転軸２０に
固定されたコンミテータ４０が回転すると、図中の矢印のように、一対のブラシ５０，５
０に対してコンミテータ片４１が移動していく。

このとき、コンミテータ片４１の移動に伴い、一対のブラシ５０，５０とコンミテータ
片４１と電気的な接続関係が図中のＩ〜ＩＶのように変化していく。

状態Ｉでは、一対のブラシ５０のうち一方（図中上側）のブラシ５０は、次のコンミテ
ータ片４１に跨り始めた状態、すなわち、隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでい
る状態である。一方、他方（図中下側）のブラシ５０は、（跨ぎ終わって）１つのコンミ
テータ片４１にのみに接続された状態となっている。

状態ＩＩでは、状態Ｉ同様、一対のブラシ５０のうち一方（図中上側）のブラシ５０は
、未だ隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態である。一方、他方（図中下
側）のブラシ５０は、（次のコンミテータ片４１に跨る手前で）１つのコンミテータ片４
１にのみに接続された状態となっている。

そして、状態ＩＩＩでは、一対のブラシ５０のうち一方（図中上側）のブラシ５０は、
（跨ぎ終わる直前であるが）未だ隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態で
ある。一方、他方（図中下側）のブラシ５０は、次のコンミテータ片４１に跨り始めた状
態、すなわち、隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態である。

次に、状態ＩＶでは、一対のブラシ５０のうち一方（図中上側）のブラシ５０は、跨ぎ
終わり、１つのコンミテータ片４１にのみに接続された状態となっている。一方、他方（
図中下側）のブラシ５０は、隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態である
。

状態Ｖでは、状態ＩＶ同様、一対のブラシ５０のうち一方（図中上側）のブラシ５０は
、１つのコンミテータ片４１にのみに接続された状態となっている。一方、他方（図中下
側）のブラシ５０は、隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態である。
そして、状態ＶＩでは、一対のブラシ５０のうち一方（図中上側）のブラシ５０は、（次
のコンミテータ片４１に跨ごうとしているが）未だ１つのコンミテータ片４１に接続され
た状態である。一方、他方（図中下側）のブラシ５０は、（跨ぎ終わる直前であるが）未
だ隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態である。

このときの電流波形を図２Ｂに示す。図２Ｂにおいて、下側の波形が、図２Ａで示した
１相分の電流波形であり、上側の波形が、これを含めてすべての相の電流波形を重ねわせ
たコイル全体の電流波形である。

下側の１相分の電流波形において、状態ＩＩＩから状態ＩＶにかけて、すなわち、ブラ
シ５０のうち一方ブラシ５０が隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態であ
り、他方のブラシ５０も、隣接するコンミテータ片４１，４１を跨いでいる状態では、コ
イルが非通電状態となる非通電コイル状態となる。

そして、非通電コイルは、磁界通過の際にコイルに逆起電流が発生し、これが状態ＩＶ
で、一方のブラシ５０が１つのコンミテータ片４１のみに接続された状態に変化した際の
転流発生時に放電されてオーバーシュートとなる。

本願発明者らは鋭意の試験研究によれば、伝導エミッションは、ブラシとコンミテータ
との間のスイッチング、より詳細には、かかる転流時のオーバーシュートやアンダーシュ
ート（次の転流時）に起因するとの知見を得た。

かかる知見に基づいて、本実施形態の電動モータは、一対のブラシ５０，５０の成す角
度αを、一対のブラシ５０，５０のいずれか一方のみがコンミテータ片４１を跨いで切り
替わる第１の角度と、一対のブラシ５０，５０のいずれもがコンミテータ片４１を跨いで
切り替わる第２角度との中間角度とすることで、スイッチングの切り替わりのタイミング
を変更するものである。

より具体的には、一対のブラシ５０，５０の成す角度αは、永久磁石の極数４と、スロ
ットの数１４と、コンミテータ片の数１４との最小公倍数である２８を基本次数（１回転
当たりの整流の回数）とし、前記中間角度の中で、基本次数の伝導エミッション［ｄＢ］
が最小となる角度が採用される。

このとき、一対のブラシ５０，５０のいずれか一方のみがコンミテータ片４１を跨いで
切り替わる第１角度を９０°とすると、例えば、第２角度は、次式により、
９０°±３６０°／２８≒７７．１° or １０２．８°
となり、これらの候補となる第２角度と第１角度９０°との中間角度の中で、伝導エミッ
ションが最小となる角度が８３．５°が採用される。

図３に示すように、一対のブラシ５０，５０の成す角度αを９０°とした場合（変更前
、図中右側）と、一対のブラシ５０，５０の成す角度αを８３．５°とした場合（変更後
、図中左側）との電流波形（図中上側）を、高速フーリエ変換して得られた伝導エミッシ
ョン［ｄＢ］を示す（図中下側）。

同様に、一対のブラシ５０，５０の成す角度αを７７°〜９５°の範囲で変更した場合
の伝導エミッション［ｄＢ］の結果を図４にまとめて示す。図４では、基本次数（１回転
当たりの整流の回数）が２８次の場合には、８３．５で極小となることが確認される。

なお、図４には、参考として１４次の場合の伝導エミッション［ｄＢ］も示しているが
、本願発明者らの試験・研究によれば、基本次数である２８次が、回転軸の１回転におけ
る電流の切り替わりそのものであり、伝導エミッションに直接的に関係するとの理由から
、本実施形態では２８次に着目した伝導エミッションの低減を実現している。

以上詳しく説明したように、本実施形態の４極２ブラシの電動モータは、４極モータに
おいて発生し易い伝導エミッションを実際に有効に低減することができる。

１…電動モータ、１０…フレーム、２０…回転軸、３０…コア、３１…スロット、３２…
コイル、４０…コンミテータ、４１…コンミテータ片、５０…ブラシ、５１…摺動面、５
２…ピグテル線、６０…ブラシホルダ、６１…環状枠、６２…脚部、６３…ブラシロッカ
ー部、α…一対のブラシの間の成す角度、ｄ…ブラシ厚み。

Claims (3)

1. 筒状のフレームの内面の周方向に交互に磁極が異なるように固定された４極の永久磁石
   と、該フレーム内に回転自在に支持された回転軸と、該回転軸に固定されたコアと、該コ
   アに形成された複数のスロットと、該複数のスロット間に巻線されたコイルと、該回転軸
   に固定され、導電材からなるコンミテータ片を周方向に並べ、該コンミテータ片を該コイ
   ルと電気的に接続したコンミテータと、所定角度を成して位置し、該コンミテータの表面
   に摺動する一対のブラシと、等電位となるべき該コンミテータ片を接続する均圧手段とを
   備える４極２ブラシの電動モータであって、
   前記一対のブラシの成す角度が、該一対のブラシのいずれか一方のみが前記コンミテー
   タ片を跨いで切り替わる第１の角度と、該一対のブラシのいずれもが該コンミテータ片を
   跨いで切り替わる第２角度との中間角度であることを特徴とする４極２ブラシの電動モー
   タ。
2. 請求項１記載の４極２ブラシの電動モータにおいて、
   前記一対のブラシの成す角度は、前記永久磁石の極数と、前記スロットの数と、前記コ
   ンミテータ片の数との最小公倍数を基本次数とし、該基本次数の伝導エミッションが最小
   となる前記中間角度であることを特徴とする４極２ブラシの電動モータ。
3. 請求項２記載の電動モータにおいて、
   前記第１の角度が９０°で、前記スロットの数が１４で、前記コンミテータ片の数が１
   ４であって、前記基本次数の２８次の伝導エミッションが最小となる前記中間角度が８３
   ．５°であることを特徴とする４極２ブラシの電動モータ。