JP2717601B2 - 吸引・反発型電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、従来はブラシレス型であったステッピング
モータ、同期サーボモータ等に、スリップリングならび
にブラシ機構を設けた、吸引・反発型電動機に関するも
のである。

（従来の技術） 第13図に一部分解状態で示すものは、従来の電機子型
直流電動機である。この図において１は固定子であり、
円筒状のケーシング２の内部に２枚の弧状の永久磁石３
を対向させて設けたものである。ケーシング２の底部に
は軸受４が設けられ、次に説明する回転子５の回転軸６
の一端を軸支するようになっている。回転子５は、回転
軸６の外周に多数の鋼板を積層して磁極７が形成され、
その一部に巻回されたコイル８に通電することにより、
フレミングの左手の法則によって回転力を得る。

回転軸６には、スリットにより複数組に分割されたス
リップリング９と、このスリップリング９に接続された
ライザ10が設けられ、ライザ10はコイル８に接続されて
いる。スリップリング９には180度位置をずらした２枚
のブラシ11,12が接触しており、このブラシ11,12には、
図示しないスイッチを介して直流電源である電池13が接
続されている。

このように構成された電機子型直流電動機は、回転子
５を固定子１の内部に入れ、回転軸６の一端を軸受４で
軸支し、回転軸６の他端（整流子８の外側）を図示しな
い軸受で支持して組立て、図示しないスイッチをオンに
して２枚のブラシ11,12の間に電池13の発生電圧を印加
すると、そのときブラシ11,12が接触しているスリップ
リング９に矢印で示す方向の電流が流れ、このスリップ
リング９からライザ10を介してコイル８に一定方向の電
流が流れる。この電流と永久磁石３の磁力線との関係に
より、フレミングの左手の法則により、回転子５は所定
角度回動する。この回動によりブラシ11,12とスリップ
リング９との関係が変わり、電流の方向が反転すること
によって回転子５はさらに所定角度回動する。これが繰
り返されて回転子５は連続回転する。

上記のように作用する従来の電機子型直流電動機は、
回転子側にコイルを巻回する必要があるため、回転子の
外径寸法、ひいては電動機全体の外径寸法を小さくする
のに限界があった。また、コイルを巻回するには特殊な
巻線機が必要となる上に熟練を要し、コスト高となる問
題があった。

このため、固定子を永久磁石で形成し、固定子にコイ
ルを巻回する形式のものが種々提案されている。このよ
うに固定子側にコイルを巻回する構造とすれば、巻線作
業が著しく容易になるので、全体的な外径寸法の小さい
電動機が製作し易くなる。

（発明が解決しようとする課題） ところでコイルを回転子側に設けるにしても、あるい
は固定子側に設けるにしても、開店軸にブラシとスリッ
プリングを設け、コイルに流れる電流の向きを回転子の
位置に係らしめて変えることになる。従来のものは、第
４図について説明したものも単純に電流方向に切り換え
るものであるため、回転子の回転を細かく観察したと
き、トルク変動があり、回転子の円滑が回転が得られな
いという問題があった。

そこでブラシとスリップリングにより電流の方向を切
り換える方式を使用せず、トランジスタあるいはサイリ
スタを用いて電流方向を適宜切り換えるようにした、い
わゆるブラシレスモータが案出され、広く使用されてい
る。ステッピングモータや同期サーボモータ等はいずれ
もこの方式である。コイルへの通電を電子制御すること
で、きめの細かい滑らかな回転を得ることは可能になる
が、ブラシレスモータは、トランジスタあるいはサイリ
スタをドライブする制御回路と、回転子の位置検出を行
うセンサが必要となり、電動機自体の小型化は図れて
も、制御回路を含む全体的な大きさを小さくすることは
できないという問題があった。

本発明はこの点に鑑みてなされたものであり、固定子
の巻線構造を大幅に変更することにより、全体寸法を超
小型にすることができる直流電動機を提供しようとする
ものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記課題を解決するための手段として、磁
極を円筒状に配列した電磁石からなる固定子の内側に円
柱状の永久磁石からなる回転子を挿入し、該回転子を支
持する回転軸に一対のスリップリングを取付け、該一対
のスリップリングに一組の入力ブラシにより直流電源の
正極と負極を接続し、該整流子を介して前記固定子のコ
イルに給電するようにした直流電動機において、前記電
磁石からなる固定子を、複数個の長細い磁極片の中間部
分にコイルを単巻きで巻装すると共に、該コイル巻装部
分を中央にしてその両側を一方向に屈折させて複数極の
突片に形成し、該固定子の一部となる突片の内側に前記
回転子を配設し、該回転子の側部にスリップリングなら
びに入出力ブラシを配設したことを特徴とする。

（作用） このように構成すれば、長細い磁極片の中間部分に巻
回されたコイルに通電することにより、当該磁極片を一
方向に屈折させて形成した突片が磁極になる。磁極片が
複数個あるので突片もその２倍の数となり、その間に発
生する磁力線が永久磁石からなる回転子に作用してこれ
に回転力を発生させる。

（実施例） 以下、スリップリング部分に改良を施した構造を、第
１図について説明する。14は固定子であって円筒状に配
列された突片15aを有する磁極15からなるものである。
第２図に示すように、磁極15の基部にはコイル16が単巻
きで巻回されている。第１図に示す17は回転子であり、
円柱状の永久磁石からなり、回転軸18に取付けられてい
るものである。この回転子17は固定子14内に挿入され、
回転軸18の左端が図示しない軸受で回転自在に支持され
る。

回転軸18の回転子17を取付けたところより右側の部分
は延長され、その延長部分に、円柱状の絶縁体18が取付
けられている。そしてこの絶縁体19の外周には、一対の
スリップリング20,21が相互に接触しないようにして取
付けられている。スリップリング20,21の形状について
は後述するが、その両端部に一組の入力ブラシ22,23が
接触している。入力ブラシ22は電池24の正極側に接続さ
れ、入力ブラシ23は負極側に接続されている。

スリップリング20,21は、円柱状の絶縁体19の端部に
設けられた環状部20a,21aと、この環状部20a,21aの複数
箇所から軸方向に突出する突出部20b,21bを有する形状
に形成されている。突出部20b,21bが所定間隔で設けら
れるため、その間は凹部20c,21cとなり、全体として環
状部20a,21aと、これに連接した凹凸形状になる。そし
て凹凸形状に形成されたこれらスリップリング20,21の
一方のものの凹部20cには、他方のものの突出部21bが接
触しないようにして臨ませてあり、これと同様に、スリ
ップリング21の凹部21cには、突出部20bが接触しないよ
うにして臨ませてある。

前述の入力ブラシ22,23は、このような形状を有する
スリップリング20,21の環状部20a,21aに接触させてあ
る。また、スリップリング20,21から電流を受けて固定
子14のコイル16に給電するために本発明によって設けら
れた出力ブラシ25,26は突出部20b,21bに接触させてあ
る。この出力ブラシ25,26はコイル16に接続されてい
る。

このように構成された電動機は、回転子17を固定子14
の内部に入れ、回転軸18の両端を図示しない軸受で支持
して組立て、図示しないスイッチをオンにして２枚の入
力ブラシ22,23の間に電池24の発生電圧を印加する。第
１図に示す状態においては、電池24の正極からの電流
は、スリップリング20の突出部20bに接触している出力
ブラシ25からコイル16に向かって流れ、コイル16を励磁
した後、コイル16から出力ブラシ26を通ってスリップリ
ング21の突出部21b（向こう側となるため図示略）に至
り、環状部21aから入力ブラシ23を通り、電池24の負極
に戻る。

コイル16によって励磁される磁極15と永久磁石からな
る回転子17の磁気吸引作用により、回転子17は所定角度
回動する。回転子17が回動するのに伴い、スリップリン
グ20の突出部20bに接触していた出力ブラシ25はスリッ
プリング21の突出部21bに接触し、同時に、それまでス
リップリング21の突出部21bに接触していた出力ブラシ2
6はスリップリング20の突出部20bに接触する。これによ
り、コイル16に流れる電流は逆方向になる。よって磁気
吸引作用は磁気反発作用に変わって、回転子17をさらに
所定角度回動させる。この回動により、コイル16への電
流方向は再び元の状態に戻る。この作用の繰り返しによ
って、回転子17は連続回転する。

このように、この電動機は直流電源でありながら、交
流電動機のように機能する。そこで磁極15の突片15aの
数を６枚、回転子17の永久磁石の極数を４とするか、あ
るいは磁極15の突片15aの数を12枚とし、回転子17の永
久磁石の極数を８とすることにより、単相または３相の
同期電動機として機能する。

第３図ないし第５図に示すものは第１図および第２図
のものとは異なった構造を示すものである。この構造で
は、固定子17の磁極15を２個にし、第４図ならびに第５
図に示すように、各３枚の突片15aが相手側の突片15aの
間に入り込むようにしてある。この結果、60度ずつ間隔
を置いた突片15a（第４図およびそのＸ−Ｘ断面を示し
た第５図参照）が形成される。各磁極15にコイル16（便
宜上、符号16A,16Bとして示す）を巻回するとともに、
出力ブラシ25,26の数も２倍にして、２個のコイル16A,1
6Bが交互に励磁されるようにしてある。これにより、回
転子17の回転が円滑になる。磁極15の突片15aとコイル1
6、出力ブラシ25,26の数をさらに増やせば、さらに円滑
な回転が得られる。

第４図は、第３図における固定子14の内部を示すもの
である。この構造では、コイル16A,16Bを巻回した２個
の磁極15,15を対向させて配置し、各突片15aを交互に組
み合わせて内側に向けることにより、極数を増やし、か
つ固定子14の全長を短くするようにしてある。第５図は
第４図のＸ−Ｘ線に沿う断面で、突片15aが交互に配設
されているところを示すものである。一方の突片15aを
塗りつぶして示しているのは、便宜上のものである。

第６図およびそのＹ−Ｙ線に沿う断面を現した第７図
は、磁極15の突片15aの数を増やした例である。第４図
および第５図の例では、磁極15の突片15aの数を各３個
としたが、この例では各４個にしてある。そして対向す
る磁極15の突片15aの角度をθだけずらして、全体的に
は８極となるようにしてある。この実施例では、固定子
14側の突片15aが８極になるので、より滑らかな回転を
得ることができる。

第４図ないし第７図は、２個のコイル16A,16Bを別個
の磁極15に巻回した２相形の例であったが、磁極15を増
やし３相形とすることもできる。第８図と、そのＺ−Ｚ
断面を表した第９図に示すものは、その例である。第４
図ないし第７図の例では磁極15の元の部分にコイル16
（16A,16B）を巻回し、その先の部分を複数に分岐して
突出させていたが、第８図および第９図に示すものは、
各120度の間隔で配設した細長い板状の磁極15（第10図
参照）のそれぞれの中間部分にコイル16（16A,16B,16
C）を巻回したものである。磁極15の数を増やせば、回
転子17の回転はより滑らかになる。

第11図に示すものは１枚のスター型の磁極15を用いた
例であり、第12図は３枚の磁極15をデルタ型に配設した
例である。これらのものでは、それぞれ細長い磁極15の
中間部分にコイル16A,16B,16Cを巻回した後、磁極15の
三方に延びた部分を一方向に屈折させて突片を形成する
ことにより、回転子17を包囲する形状にすることができ
る。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように構成された吸引・反発
型電動機であり、電磁石からなる固定子を、複数個の長
細い磁極片の中間部分にコイルを単巻きで巻装すると共
に、コイル巻装部分を中央にしてその両側を一方向に屈
折させて複数極の突片に形成し、該固定子の一部となる
突片の内側に回転子を配設し、該回転子の側部にスリッ
プリングならびに入出力ブラシを配設する構造としたも
のであるから、コイル巻装部分と磁極片の部分ならびに
スリップリングと入出力ブラシを軸方向に並ぶ配列とす
ることができ、しかもコイルが単巻きであることによっ
て、従来の回転子の外周に固定子のコイルを配設し、そ
のコイルを複巻きとしたものに比し、全体の外径寸法を
著しく小さくすることが可能となる。構造上、外径寸法
を小さくすることが可能であることから、回転子に超強
力磁石を使用することにより、少なくとも直径5mm以下
のブラシ式モータを製作することが可能になった。さら
にトランジスタやサイリスタを用いる制御回路も不要で
あることから、油圧モータや空気圧モータに代えて、種
々の装置におけるアクチュエータとして広く使用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する吸引・反発型電動機を一部分
解状態で示した斜視図、第２図は第１図中の磁極とコイ
ルを示す断面図、第３図は磁極の数を２個にした構造を
示す斜視図、第４図は第３図の原理図、第５図は第４図
のＸ−Ｘ線に沿う断面図、第６図は磁極数を増やした例
を分解状態で示す一部断面図、第７図は第６図のＹ−Ｙ
線断面で示した磁極の配列を示す説明図、第８図はコイ
ルの巻回構造を変えた本発明の一実施例を示す側面図、
第９図は第８図のＺ−Ｚ線断面図、第10図は磁極とコイ
ルの巻回方法の一例を示す正面図、第11図はコイルをス
ター型に巻回した場合の正面図、第12図はコイルをデル
タ型に巻回した場合の正面図、第13図は従来の電機子型
直流電動機を一部分解状態で示した斜視図である。 14……固定子 15……磁極 15a……突片 16,16A,16B,16C……コイル 17……回転子 18……回転軸 19……絶縁体 20,21……スリップリング 20a,21a……環状部 20b,21b……突出部 20c,21c……凹部 22,23……入力ブラシ 24……電池 25,26……出力ブラシ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁極を円筒状に配列した電磁石からなる固
   定子の内側に円柱状の永久磁石からなる回転子を挿入
   し、該回転子を支持する回転軸に一対のスリップリング
   を取付け、該一対のスリップリングに一組の入力ブラシ
   により直流電源の正極と負極を接続し、該整流子を介し
   て前記固定子のコイルに給電するようにした直流電動機
   において、前記電磁石からなる固定子を、複数個の長細
   い磁極片の中間部分にコイルを単巻きで巻装すると共
   に、該コイル巻装部分を中央にしてその両側を一方向に
   屈折させて複数極の突片に形成し、該固定子の一部とな
   る突片の内側に前記回転子を配設し、該回転子の側部に
   スリップリングならびに入出力ブラシを配設したことを
   特徴とする吸引・反発型電動機。