JP2724770B2 - ブラシ付き吸引反発電動機 - 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、ブラシ付き吸引反発電動機に関
するものである。

（従来の技術） 直流電源で回転する電機子型直流電動機の基本的な構
造は、永久磁石で形成された固定子の磁界中にコイルを
巻回した回転子を回転軸で回転自在に支持し、コイルに
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
転力を得るものである。回転軸には、スリットにより複
数組に分割されたスリップリングが取付けられ、このス
リップリングに接触させたブラシからコイルに給電す
る。

このような構造の電機子型直流電動機は、回転子を固
定子の内部に入れ、回転軸を軸受で軸支し、ブラシとス
リップリングを介してコイルに給電すると、そのときブ
ラシが接触しているスリップリングに一定方向の電流が
流れ、このスリップリングからコイルに一定方向の電流
が流れる。この電流と固定子を形成する永久磁石の磁力
線との関係により、フレミングの左手の法則により、回
転子は所定角度回動する。この回動によりブラシとスリ
ップリングとの関係が変わり、電流の方向が反転するこ
とによって回転子はさらに所定角度回動する。これが繰
り返されて回転子は連続回転する。

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、回転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、回転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、単
純に電流方向を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
円滑な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、スリッ
プリングの形状を大幅に変更することにより、直流電源
でありながら、あたかも交流モータのように安定したト
ルク特性を有し、かつ円滑な回転を得ることができる直
流電動機を提供しようとするものである。

また、スリップリングの形状を変更したことに伴い、
これに接触させるブラシを単なる給電用のものに止め
ず、給電用のブラシのほかに回転子の位置検出用ブラシ
を設け、回転子の位置に対応した給電制御を行う制御回
路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、前記一
対のスリップリングのそれぞれを、円柱状の絶縁体の端
部に設けられた環状部と、該環状部の複数箇所から前記
回転軸の軸方向に突出する突出部を有する凹凸形状に形
成し、一方のスリップリングの凹部に他方のスリップリ
ングの突出部を接触しないようにして臨ませ、該スリッ
プリングの環状部には前記直流電源に接続された入力ブ
ラシを接触させ、突出部には出力ブラシを接触させると
共に、前記スリップリングに形成される突出部のそれぞ
れに１個ないし２個の小さい凹部を形成し、該小さい凹
部に臨む位置に信号用ブラシを配設し、該信号検出用ブ
ラシに半導体制御回路を接続して、該半導体制御回路で
前記位置検出用ブラシが検出した回転子の位置に対応さ
せて前記コイルへの通電制御を行うように構成したこと
を特徴とする。

（作用） このように構成すれば、スリップリングの各部分に、
入出力、信号用及び位置検出用のブラシが接触し、各ブ
ラシの入出力信号がマイクロコンピュータに入力され
る。そして、入力ブラシ間の直流電圧は、スリップリン
グを介して出力ブラシの出力信号としてマイクロコンピ
ュータに入力されるが、同時に信号用及び位置検出用の
ブラシの出力信号もマイクロコンピュータに入力され
る。

マイクロコンピュータの出力は半導体制御回路のトラ
ンジスタに入力され、回転子の回転に伴って固定子の各
コイルが励磁されるので、時間とともに極性が変化する
交流電流を出力信号として得る。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を、第１図について説明す
る。１は固定子であり、突片状の磁極２（第２図参照）
を円筒状に配列し、基部にコイル３を巻回して形成され
た電磁石からなるものである。第３図および第４図は、
固定子１を開いた状態を示す。第３図のものは、略Ｖ字
状の３枚の磁性板を用い、それぞれの中央部にコイル３
を巻回して３個の磁極を形成し、これを点線部分から一
方向に屈折して筒状に形成するものである。また第４図
のものは、放射状に延びる６枚の突片部を有する１枚の
磁性板を用い、一つおきの突片部にコイル３を巻回して
３個の磁極を形成する。そして点線部分から一方向に屈
折して筒状に形成する。これらはいずれの構造であって
もよい。コイル３は３個あり、これが120度の角度を持
って配設されるので、便宜上A,B,Cの符号を付す。

第１図に示すように、固定子１の内側には回転軸４に
取付けられた円柱状の永久磁石からなる回転子５が挿入
されている。回転軸４の両端は軸受６で回転自在に支承
されている。回転軸４には円柱状の絶縁体７が取付けら
れており、回転軸４と一体に回転するようになってい
る。絶縁体７には一対のスリップリング8,9が設けられ
ており、後述する各ブラシに接触するようになってい
る。このスリップリング8,9は、高度な写真製版技術に
より、焼付けやエッチング加工あるいはレーザ加工によ
って薄く、また微細な凹凸パターンが形成できる。

スリップリング8,9の展開形状は第５図上部に示すよ
うになっている。すなわち、スリップリング8,9ともに
絶縁体７の外周を覆う環状部8a,9aと、この環状部8a,9a
から内側に突出した突出部8b,9bが所定間隔で設けてあ
る。突出部8b,9bが所定間隔で設けられているので、そ
の間が凹部8c,9cになり、一方のものの凹部8cに他方の
突出部9bが接触しないように臨ませてあり、同様に凹部
9cには突出部8bが臨ませてある。また、環状部9aの外側
には機械角で180度間隔で突出部9dが設けられ、環状部8
aの外側には多数の小さい突出部8dが設けられている。
スリップリング8,9には、第５図に示す位置に小さい凹
部8e,9e,9fが設けられている。

第１図および第５図に示すように、スリップリング8,
9の環状部8a,9aに臨む位置には、直流電源である電池10
に接続された入力ブラシ11,12が設けられて接触してい
る。そして両スリップリング8,9の中間位置には120度の
機械角を離して（第１図では便宜上180度離して図示し
てある）３個の出力ブラシ13が設けられて接触してい
る。この３個の出力ブラシ13は、それぞれスリップリン
グ8,9の突出部8b,9bに接触したときに電池10の正極ある
いは負極の電位になる。スリップリング９の突出部9dに
臨んだ位置には信号用ブラシ14が、凹部8eに臨む位置に
は信号用ブラシ15が、凹部9fに臨む位置には信号用ブラ
シ16が、さらに突出部8dに臨む位置には位置検出用ブラ
シ17が設けられている（第６図参照）。これらの各ブラ
シは、半導体素子としてのトランジスタを有するマイク
ロコンピュータ18の入力側に接続されている（図が煩雑
になるので、一部の線のみを示し、１本１本の接続線は
図示を省略する）。マイクロコンピュータ18の機能につ
いては後述する。凹部のうちの凹部8eは第５図から明ら
かなように、Ａ相の波形における最小値のところに対応
しており、凹部9fはＡ相の最大値に対応している。また
凹部9eは中性点（電位ゼロの点）に対応している。した
がってこれら凹部8e,9eおよび9fに対応する信号検出用
ブラシ15,16,17は、凹部8e,9eおよび9fを検出すること
によってＡ相の電圧変化が始まる基準位置を半導体制御
回路19に入力することになるので、半導体制御回路19
は、スリップリング８の環状部8aから入力ブラシ11が離
れる前およびスリップリング９の環状部9aに入力ブラシ
12が接触する前に、Ａ相の基準位置を正すことになる。

マイクロコンピュータ18の出力側には、半導体制御回
路19の６個のトランジスタ20A,20B,21A,21B,22Aおよび2
2Bのベースが接続されている（図が煩雑になるので、一
部の線のみを示し、１本１本の接続線は図示を省略す
る）。各トランジスタのコレクタ、エミッタ間に逆方向
に接続されたダイオード23は、逆電圧によりトランジス
タが破壊されるのを防止するためのものである。トラン
ジスタ20Aと20B、トランジスタ21Aと21B、トランジスタ
22Aとトランジスタ22Bのそれぞれは直列に接続されてお
り、これらは電池24に並列接続されている。各組２個ず
つのトランジスタの接続点は、それぞれ両端を接続して
デルタ結線としたコイル３のA,B,Cの各接続端に接続さ
れている。

マイクロコンピュータ18は、入力側の各ブラシからの
入力信号が入力されたとき、適切な出力信号を発する。
入力ブラシ11、12間に電池10の電圧が印加されると、そ
の電圧は、そのときのスリップリング8,9に対する出力
ブラシ13により、正負のいずれかの電位がマイクロコン
ピュータ18に入力される。マイクロコンピュータ18に
は、同時に信号用ブラシ14,15および位置検出用ブラシ1
7の信号が入力されるので、そのときの各ブラシの位置
に応じた出力信号を発する。

マイクロコンピュータ18の出力信号により、トランジ
スタ20Aとトランジスタ21Bのみがオンになったとする
と、コイル３のうちのＡで示すものが励磁され、同様に
トランジスタ21Aとトランジスタ22Bのみがオンになる
と、コイル３のうちのＢで示すものが励磁される。実際
には第５図に示すように１個のコイルのみではなく、A,
B,Cの位相が相互にずらされて同時に励磁され、あたか
も３相交流のような状態で励磁される。したがって回転
子５はその磁界の中で円滑に、かつトルクフルに回転す
る。個々の出力波形が矩形波であっても全体形状として
正弦波曲線が得られるのは、位置検出用ブラシ17が多数
の突出部8dを順次検出するとき、その数に応じ、トラン
ジスタ20A,20B,21A,21B,22A,22Bを制御することによ
る。この実施例における制御は、電気角を機械角の２倍
にしてある。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、スリップリングの形状
を変えるとともにこれの各部位に接触する多くのブラシ
を設け、このブラシの出力信号に応じた電流でコイルを
励磁するように構成したブラシ付き吸引反発電動機であ
るから、従来のブラシレス電動機のような複雑な機構な
らびに制御回路を必要としない。

信号電流あるいは駆動電流のそれぞれが、電源の正負
極に対応するスリップリングの凹凸パターンにより機械
的に整流出力されるので、あらゆる負荷変動や速度変動
に完全に同期されるため、特にロボット等の位置決め用
モータとして有効に作用する。

電動機を超小型化するには従来の外側永久磁石式の構
造のほかに、スロットレス形やムービングコイル形ロー
タなどで直径約9mmのものまで可能となっているが、本
発明の構造によれば、直径5mm以下のものも製作が可能
となる。そして回転子を永久磁石にしたことにより、効
率も80〜90％以上で省エネル−化を図ることができる。
さらに固定子側にコイルを用いたことにより、発熱部が
外側となることから放熱効果が大幅に向上してその分だ
け大出力化を図ることができる。

従来のブラシレスモータにはホール素子やエンコーダ
が必要で、そのためのA/D変換や各種演算補正用及びゲ
イン調整を必要としたが、本発明はブラシ式としたこと
で、直接遅れなしに完全矩形波信号が得られることにな
った。

回転軸上の磁石を、整流子の位置及び電磁石コイル中
心の最大トルク発生位置にセットすることにより、極低
速から極高速まで如何なる負荷変動下でも、最小電流値
で最大トルクが常に完全同期で得ることができる。

位置検出信号出力ブラシにより半導体整流器を直接開
閉するので、モータ本体の耐熱、耐衝撃及び耐水性が大
幅に向上した。そして２個のスリップリングにそれぞれ
小さい凹部を設け、これら小さい凹部に対向させて信号
用ブラシを設けたので、小さい凹部の位置をＡ相の最小
値と最大値ならびに中性点に合致させることにより、基
準となる相の電気的な位置が検知されるので、正しい出
力波形とすることができる。さらに従来より一層の悪環
境下や宇宙における超真空中などの過酷な状況下で激し
い運転ができ、且つ大幅な素子や機器を省略できるた
め、多大な経費節減が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図は第１図の
Ｘ−Ｘ線に沿う断面図、第３図は磁極の一例の展開図、
第４図は磁極の他の例の展開図、第５図は展開して示し
たスリップリングと出力電圧の波形の関係を示す説明
図、第６図は第５図のうちのスリップリングとブラシの
位置関係を示す側面図である。 １……固定子 ２……磁極 ３……コイル ５……回転子 ７……絶縁体 8,9……スリップリング 8a,9a……環状部 8b,9b……突出部 8e,9e,9f……小さい凹部 10,24……電池 11,12……入力ブラシ 13……出力ブラシ 16……信号用ブラシ 17……位置検出用ブラシ 19……半導体制御回路

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、前記一対のスリップリングのそれぞれを、円
   柱状の絶縁体の端部に設けられた環状部と、該環状部の
   複数箇所から前記回転軸の軸方向に突出する突出部を有
   する凹凸形状に形成し、一方のスリップリングの凹部に
   他方のスリップリングの突出部を接触しないようにして
   臨ませ、該スリップリングの環状部には前記直流電源に
   接続された入力ブラシを接触させ、突出部には出力ブラ
   シを接触させると共に、前記スリップリングに形成され
   る突出部のそれぞれに１個ないし２個の小さい凹部を形
   成し、該小さい凹部に臨む位置に信号用ブラシを配設
   し、該信号検出用ブラシに半導体制御回路を接続して、
   該半導体制御回路で前記位置検出用ブラシが検出した回
   転子の位置に対応させて前記コイルへの通電制御を行う
   ように構成したことを特徴とするブラシ付き吸引反発電
   動機。