JP2021141653A - 整流子モータおよび電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な整流を行うことができる整流子モータを提供することを目的とする。【解決手段】ヨーク２と、ヨーク２の内側に配置された複数の磁石３、４と、磁石３、４に挟まれて配置され回転自在に支持されたシャフト７と、シャフト７に固定され径方向に突出する複数のティース５１を設けた電機子コア５と、複数のティース５１にわたって巻かれた複数のコイル６と、シャフト７に固定されコイル６に接続された複数の子片からなる整流子と、整流子の子片に接触するように配設されたブラシを有する整流子モータ１において、スロット数をＮ、一つのコイル６が巻かれているティース５１の数をｋ、θｓ＝（３６０×ｋ／Ｎ)、磁石３、４の電機子コア５に対向する面の開口角θｍとしたとき、スロット数Ｎに応じて、(θｍ／θｓ)の値を規定した。【選択図】図１

Description

本発明は、磁石を備えた整流子モータおよび電気機器に関する。

従来の磁石を備えた整流子モータでは、磁石からの磁束は、電機子コアを通り異なる磁極の磁石を通った後ヨークを経て元の磁石に戻るという分布となる。このとき、所定のコイルに電流を通電することで、トルクが発生し回転することになる。電流の切り替えはブラシに接触している整流子の子片が回転に伴って順次切り替わることで行われ、コイルの両端の整流子の子片がブラシに接触している間に電流の方向が反転する。これを「整流」と呼ぶ。

そして、整流の最終時点、すなわち整流子の子片とブラシが離れる瞬間に火花が発生する現象があり、この火花の発生がブラシを摩耗させ整流子モータの寿命を短くすることが知られている。火花を抑制し良好な整流を得るための対策として、磁石に延長部を設けて整流を改善する方法などがある。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００１−９５２１８号公報

特許文献１記載の従来の整流子モータでは、良好な整流を得るために、磁石に延長部を設けていることから磁石量が増加しコスト高、重量増になるという課題があった。

本発明は、以上のような問題を解決するものであり、磁石の延長部を設けずとも良好な整流を行うことができる整流子モータを提供することを目的とする。

本開示の第１の態様に係る整流素子モータは、ヨークと、前記ヨークの内側に配置された複数の磁石と、前記磁石に挟まれて配置され回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定され径方向に突出する複数のティースを設けた電機子コアと、前記複数のティースにわたって巻かれた複数のコイルと、前記シャフトに固定され前記コイルに接続された複数の子片からなる整流子と、前記整流子の子片に接触するように配設されたブラシを有する整流子モータにおいて、スロット数をＮ、一つのコイルが巻かれているティースの数をｋ、θｓ＝（３６０×ｋ／Ｎ）、磁石の電機子コアに対向する面の開口角θｍとしたとき、
Ｎ＝１０のとき、０．５２≦（θｍ／θｓ）≦０．７２、
Ｎ＝１２のとき、０．５６≦（θｍ／θｓ）≦０．７４、
Ｎ＝１４のとき、０．５８≦（θｍ／θｓ）≦０．７０、
を満足することを特徴とする。

本開示の第２の態様に係る電気機器は、第１の態様に係る整流子モータを搭載したことを特徴とする。

本発明によれば、スロット数をＮ、一つのコイルが巻かれているティースの数をｋ、θｓ＝（３６０×ｋ／Ｎ）、磁石の電機子コアに対向する面の開口角θｍとしたとき、スロット数Ｎに応じてθｍ／θｓを所定の範囲にすることで、磁石に延長部を設けずとも良好な整流を行う整流子モータを提供することが可能であり、産業的価値の大なるものである。

本開示の一実施の形態に係る整流子モータの構成概略図 同整流子モータの回転角と、ブラシと整流子の子片間の電力(電圧と電流の積)の関係を示す図 同整流子モータの回転角と、一つのコイルに鎖交する磁束との関係を示す図 同整流子モータの回転角と、一つのコイルの誘起電圧の関係を示す図 同整流子モータの回転角と、ブラシと整流子の子片間電圧の関係を示す図 同整流子モータにおいて、θｍ／θｓと、整流終端直前のブラシと整流子の子片間の電圧の関係を示す図 同整流子モータの回転角と、一つのコイルを流れる電流の関係を示す図 同整流子モータの回転角と、一つのコイルを流れる電流の関係を示す図 同整流子モータにおいて、θｍ／θｓと、区間Ａと区間Ｂの電流の実効値の比率の関係を示す図

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態及び実施例によって本発明が限定されるものではない。

図１に本開示の一実施の形態に係る整流子モータの概略構成図を示す。

一実施の形態に係る整流子モータ１は、ヨーク２の内側に配置された磁石３、４と、磁石３、４に挟まれて配置され回転自在に支持されたシャフト７と、シャフト７に固定された電機子コア５と、磁石３、４と対向する五本のティース５１にわたって巻かれた複数のコイル６(１つのコイルのみ記載)と、シャフト７に固定され前記コイル６に接続された複数の子片からなる整流子(以下、図示せず)と、整流子の子片に接触するように配設されたブラシ(以下、図示せず)から構成されている。

ここで、スロット数をＮ、一つのコイルが巻かれているティースの数をｋ、θｓ＝（３６０×ｋ／Ｎ）、磁石３、４の電機子コア５に対向する面の開口角θｍとする。磁石３、４の開口角θｍにおいては磁石３、４の電機子コア５との隙間は略同一である。なお、以下の例ではｋ＝５である。また、磁石３、４の個数は２つとなっているが、別の個数であってもよい。

磁石３からの磁束は、対向する複数のティース５１から流入し電機子コア５を通り磁石４を通った後ヨーク２を経て磁石３に戻るという分布となる。電流の切り替えはブラシに接触している整流子の子片が回転に伴って順次切り替わることで行われるが、整流子の子片とブラシが離れる瞬間に火花が発生する現象がある。

火花の発生は、ブラシと整流子の子片間の電圧と電流に関係すると考えられので、整流の最終時点におけるブラシと整流子の子片間の電力(電圧と電流の積)を抑制することで良好な整流を得ることが可能となる。そこで、有限要素法を用いた磁界解析を用いて、整流子の子片とブラシ間の電圧やコイルに流れる電流等を算出した。

一例として、ブラシと整流子の子片の間の電力(電圧と電流の積)を図２に示す。ブラシと整流子の子片が離れる位置に向かって減少し、離れた後はブラシと整流子の子片間で電流が流れないのでゼロとなる。以下、整流子の所定の子片が約１３８°回転したとき（整流子モータの回転角が約１３８°）にブラシと整流子の子片が離れる（整流最終時点）場合の例を示す。

ここで、整流時の整流方程式を次式に示す。
Ｌ(ｄＩ／ｄｔ)−Ｖ１＋Ｖ２＋Ｒｃ・Ｉ＋Ｖｅ＝０
上式で、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｖ１、Ｖ２はコイルの両端の整流子の子片とブラシ間の接触による電圧降下、Ｒｃはコイルの抵抗、Ｖｅはコイルの誘起電圧、Ｉはブラシの接触による短絡電流、ｔは時間である。上式から明らかなように、電圧や電流はコイルのインダクタンスによる電圧やコイルの誘起電圧Ｖｅ等によって変化するため、以下では電圧と電流の個々の挙動とθｍ／θｓの関係を示す。

まず電圧に関して、一つのコイルの誘起電圧Ｖｅを求めるためにそのコイルに鎖交する磁束Φを算出した。図３にスロット数Ｎ＝１２で、θｍ／θｓを変更した場合の鎖交磁束波形を示す。図３より、θｍ／θｓを変更することで、鎖交磁束波形も変化し鎖交磁束が一定となる区間が現れ、その区間の幅はθｍ／θｓに依存していることが分かる。コイルの誘起電圧Ｖｅは鎖交磁束Φを用いて次式で表される。
Ｖｅ＝−ｄΦ／ｄｔ
鎖交磁束が一定であればその区間の鎖交磁束の時間微分である誘起電圧はゼロになるため、図３から得られる誘起電圧波形は図４のようになる。図中の縦軸に平行な破線は整流最終時点を示す。図より、θｍ／θｓを変えることで誘起電圧Ｖｅがゼロになる区間も変化するので、整流最終時点における誘起電圧Ｖｅをゼロにすることが可能である。このときのブラシと整流子の子片間の電圧波形を図５に示す。図中の縦軸に平行な破線は整流最終時点を示す。図４と同様にθｍ／θｓによって整流最終時点でのブラシと整流子の子片間の電圧がゼロ以下になることから、整流最終時点でのブラシと整流子の子片間の電圧上昇を抑制することが可能である。

θｍ／θｓと、整流最終時点直前のブラシと整流子の子片間の電圧の関係を図６に示す。なお、図３〜図５はスロット数Ｎ＝１２の結果のみであったが図６はスロット数Ｎ＝１０、１２、１４の結果を示している。図より、θｍ／θｓが大きくなるにしたがって、整流最終時点直前でのブラシと整流子の子片間電圧も大きくなる。しかしながら、スロット数Ｎ＝１０のとき、θｍ／θｓ≦０．７２、Ｎ＝１２のとき、θｍ／θｓ≦０．７４、Ｎ＝１４のとき、θｍ／θｓ≦０．７０であれば、各スロット数において整流最終時点直前のブラシと整流子の子片間の電圧の上昇を抑制することが可能となる。

次に電流について説明する。一例として一つのコイルに流れる電流波形を図７に示す。図中で縦軸に平行な破線はブラシと整流子の子片が接触するまたは離れる位置であり、一点鎖線は理想的な直線整流の電流を示し、直線はシミュレーションで求めた電流を示している。

また、図中の区間Ａはコイルの両端の整流子の子片がブラシと接触している区間であり、区間Ｂはそれ以外の区間である。ここで、図７の区間Ａの電流をＩ１、区間Ｂの電流をＩ２とし、Ｉ１が図７の一点鎖線で表される理想的な直線整流のときのＩ１の実効値を求めることにする。区間Ａを-αからαとし、その時の電流が−ＩoからＩoに直線的に変化する場合Ｉ１＝Ｉｏ／α・θ（θ＝−α〜α）となるので、Ｉ１の実効値は（数１）で求められる。

一方、区間Ｂでは電流はほぼ一定なので、Ｉ２の実効値はＩoとなり、理想的な直線整流の場合のＩ１／Ｉ２は１／√３となる。

このように、図７の理想的な直線整流の場合、区間Ａの電流の実効値は区間Ｂの電流の実効値のほぼ１／√３となることから、区間Ａと区間Ｂの電流の実効値の比が１／√３よりも大きければ不要な電流が流れており火花発生の要因になる可能性がある。

θｍ／θｓがコイルに流れる電流に及ぼす影響であるが、θｍ／θｓを変更することで電流波形は図８(スロット数Ｎ＝１２)のように変化し、それに伴い電流の実効値も変化する。θｍ／θｓを変更した場合の区間Ａと区間Ｂの電流の実効値の比を図９に示す。図にはスロット数＝１０、１２、１４の結果を示している。

図より、グラフは下に凸の形状であり極小値を持ち、図中に示すθｍ／θｓの値は、スロット数Ｎ＝１０のとき、０．５２≦θｍ／θｓ≦０．９２、Ｎ＝１２のとき、０．５６≦θｍ／θｓ、Ｎ＝１４のとき、０．５８≦θｍ／θｓであれば整流中のコイルに流れる不要な電流を抑制することが可能となる。

θｍ／θｓが前述で示した電圧と電流の双方を満足する範囲、すなわち、Ｎ＝１０のとき、０．５２≦（θｍ／θｓ）≦０．７２、Ｎ＝１２のとき、０．５６≦（θｍ／θｓ）≦０．７４、Ｎ＝１４のとき、０．５８≦（θｍ／θｓ）≦０．７０であれば、整流最終時点直前のブラシと整流子の子片間の電圧の上昇及び整流中のコイルに流れる不要な電流を抑制できるため、磁石の延長部を設けずとも良好な整流を行うことができる。

以上のように、本発明の整流子モータは、ヨークと、ヨークの内側に配置された複数の磁石と、磁石に挟まれて配置され回転自在に支持されたシャフトと、シャフトに固定され径方向に突出する複数のティースを設けた電機子コアと、複数のティースにわたって巻かれた複数のコイルと、シャフトに固定され前記コイルに接続された複数の子片からなる整流子と、整流子の子片に接触するように配設されたブラシを有する整流子モータにおいて、スロット数をＮ、一つのコイルが巻かれているティースの数をｋ、θｓ＝（３６０×ｋ／Ｎ）、磁石の電機子コアに対向する面の開口角θｍとしたとき、Ｎ＝１０のとき、０．５２≦（θｍ／θｓ）≦０．７２、Ｎ＝１２のとき、０．５６≦（θｍ／θｓ）≦０．７４、Ｎ＝１４のとき、０．５８≦（θｍ／θｓ）≦０．７０、
を満足することを特徴とする。

この整流子モータにおいて、整流最終時点直前におけるブラシと整流子の子片間の電圧の上昇及び整流中のコイルに流れる不要な電流の双方を抑制することができるため、火花の発生によってブラシを摩耗させ整流子モータの寿命を短くするのを抑制でき、さらに、磁石の延長部を設けずとも良好な整流を行うことができる。

また、この実施例として取り上げた良好な整流を行うことができる整流子モータを搭載した掃除機やその他の電気機器にも適用できる。

なお、上記の一実施の形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されず、適宜変更することができる。例えば、上記の実施の形態の構成の一部を公知の他の構成に置き換えてもよい。また上記の実施の形態で言及されていない構成は任意であり、例えば公知の構成を
適宜選択して本発明に組み合わせることができる。

本開示に係る整流子モータは、磁石を用いた整流子モータ等に広く利用可能である。

１ 整流子モータ
２ ヨーク
３、４ 磁石
５ 電機子コア
５１ ティース
６ コイル
７ シャフト

Claims (2)

1. ヨークと、前記ヨークの内側に配置された複数の磁石と、前記磁石に挟まれて配置され回転自在に支持されたシャフトと、前記シャフトに固定され径方向に突出する複数のティースを設けた電機子コアと、前記複数のティースにわたって巻かれた複数のコイルと、前記シャフトに固定され前記コイルに接続された複数の子片からなる整流子と、前記整流子の子片に接触するように配設されたブラシを有する整流子モータにおいて、スロット数をＮ、一つのコイルが巻かれているティースの数をｋ、θｓ＝（３６０×ｋ／Ｎ）、磁石の電機子コアに対向する面の開口角θｍとしたとき、
   Ｎ＝１０のとき、０．５２≦（θｍ／θｓ）≦０．７２、
   Ｎ＝１２のとき、０．５６≦（θｍ／θｓ）≦０．７４、
   Ｎ＝１４のとき、０．５８≦（θｍ／θｓ）≦０．７０、
   を満足することを特徴とする整流子モータ。
2. 請求項１の整流子モータを搭載したことを特徴とする電気機器。
   

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