JP3804511B2 - モータ及びそれを用いた電動機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機器、例えば、自動車に搭載される電装機器や電動工具に用いられるモータ及びそのモータを用いた電動機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電動機器、例えば、自動車に搭載される電装機器や電動工具は、小型化、軽量化が進んでいる。それに伴ない、こうした電動機器の動力源として、その機器に搭載されるモータも自ずと小型化、軽量化が一段と要求される。
【０００３】
この種のモータにはブラシと整流子とを有した直流モータが用いられることが多い。この直流モータの一般的な構成は、界磁を構成するステータと、そのステータに環状空隙を介して対向するように配置したロータとを備えている。そのロータには、鉄心コアにコイル巻線を施すとともに整流子を具備したいわゆる電機子が用いられる。この直流モータを駆動するためには電機子に給電させる必要がある。電機子に給電させるには、リード線にて外部電源に連結されたブラシを整流子に当接させることにより行う。
【０００４】
従来のこの種のモータとしては、特開平１１−３４１７２３号公報に示すようなものがある。本公報において、図８に示すような界磁極数４、電機子のティース数５、整流子のセグメント数１０のモータが開示されている。また、同公報には、図９に示すように、そのモータのコイルの巻装方法として、同相セグメントから出たコイルは、同相スロット（ティース）に巻装することにより、モータ出力の減少を防止する技術が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、ブラシが当接するセグメントの位置によっては、ブラシＢ１、Ｂ２によりそれぞれ、セグメントＳ２とＳ３とが、またＳ５とＳ６とが短絡されてしまう。その結果、図８の〇印で示すように、電流が流れないコイル、すなわち、無効導体が多く存在し、モータ出力が低減されるため、小型軽量化に限界があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するもので、出力が低減されることなく、大幅な小型化、軽量化を達成できるモータを提供することであり、かつ、そのモータを用いることで、電装用機器や電動工具等の電動機器の小型化、軽量化を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のモータは次の構成を有する。
（ａ）界磁極数４のステータと、
（ｂ）５ティースを有するコアと、１０セグメントから成る整流子と、それらセグメントへの結線を介してティースに巻装したコイルとを有するロータと、
（ｃ）両ブラシ片が互いに直交して配置され、整流子に対して当接する１対のブラシとを含み、
上記ブラシにおける上記整流子に当接する回転方向円弧長を、整流子における外周長の２０分の１（π×Ａ／２０、Ａは整流子外径）以下に構成する。
【０００８】
この構成により、ブラシによるセグメント間の短絡枚数を最小限にし、有効導体数の減少を防止することができる。さらに、同一スロット内のコイルに流れる電流の方向が逆向きになることを極力防止することができる。その結果、モータ出力が低減されることなく、大幅な小型化、軽量化を可能とするモータを提供できる。
【０００９】
第１の発明は、界磁極数４のステータと、５ティースを有するコアと１０セグメントから成る整流子と前記セグメントへの結線を介して前記ティースに巻装したコイルとを有するロータと、両ブラシ片が互いに直交して配置され、前記整流子に対して当接する１対のブラシで構成されたモータにおいて、
第１セグメントから出る第１コイル線は、前記第１セグメントに最も近い第１ティースに巻装され、そして、前記第１セグメントに隣接する第２セグメントに結線され、前記第２セグメントから出る第２コイル線は、前記第１ティースに前記第１セグメントから第２セグメントへと向う整流子の周方向とは反対の方向で隣接する第２ティースに前記第１コイル線の巻装方向とは逆方向に巻装され、
そして、前記第２ティースに前記第１セグメントから第２セグメントへと向う整流子の周方向とは反対の方向で隣接する第３ティースに最も近い第３セグメントに結線されていることを特徴とするモータである。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、全てのセグメントにコイルが接続された構成のモータである。
【００１１】
第３の発明は、上記の第１〜２の発明において、ブラシにおける前記整流子に当接する回転方向円弧長を、前記整流子における外周長の２０分の１（π×Ａ／２０、Ａは整流子外径）以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のモータ。
【００１２】
第４の発明は、上記の第１〜３の発明において、請求項１から請求項３のいずれかに記載のモータが搭載された電動機器である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
【実施例】
（第１の実施例）
図１は本発明の第１の実施例におけるモータの断面図である。
【００１５】
図１において、モータ３１は次のように構成されている。
【００１６】
モータ３１のフレーム３６の内壁には、ステータとなるマグネット３７が固定されている。そのフレーム３６内にはロータ３５が収容されている。ロータ３５のシャフト３２は、電磁鋼板を積層して形成したコア４４の中心を貫通している。ロータ３５は、シャフト３２の上下部分を軸受３３及び３４によって回転可能に支持されている。こうして、ロータ３５とステータマグネット３７とは環状空隙を介して対向している。ロータ３５にはシャフト３２の軸線と平行な５つのスロット４０が設けられている。互いのスロット４０間には、５つのティース４１が形成されている。各ティース４１には巻線が施されている。ロータ３５の一端部には１０個のセグメントからなる整流子４２が固定されている。各巻線コイルの端末は、各セグメントに連結した巻線接続部４３に結線されている。ロータ３５が回転することにより、一対のブラシに対して整流子４２が摺動するように互いに当接している。一対のブラシを構成するブラシ片３８と３９とは互いに直交するように配設されている。両ブラシ片３８，３９にはリード線（図示せず）が接続されている。外部電源（図示せず）からリード線を通して、そして、整流子４２を介してロータ３５の巻線コイルに給電する。それにより、ロータ３５のティース４１と、界磁を構成するマグネット３７との間に回転力が発生し、ロータ３５がマグネット３７（ステータ）の内側を回転する。
【００１７】
ロータとステータの構成について図４を用いてさらに詳しく説明する。同図４は、図１の断面と直交する面でのロータの横断面である。
【００１８】
図４において、マグネット３７の内壁は、周方向にＮ極−Ｓ極−Ｎ極−Ｓ極と等間隔に着磁され、４つの磁極を有する界磁を構成している。５つのスロット４０、すなわち、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ及び４０ｅはくさび状の溝に形成されている。各スロット間には突部を有する５つのティース４１、すなわち、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４及びＴ５が形成されている。ティース４１の突部は隣接する両スロットを覆うように突出形成され、各ティース４１はＴ字状断面形状に形成されている。
【００１９】
整流子は１０個のセグメント、すなわち、図４に示す（番号）１−１０を有している。各ティース４０にモータを駆動するためのコイルが巻装され、各コイル巻線の端末は各セグメントに結線されている。
【００２０】
図２は本発明の第１の実施例におけるモータのロータ部展開略図、図３はモータの巻線部分展開略図であり、図４は図３に示すモータの巻線部分の巻線方法説明図である。
【００２１】
本実施例のモータは、（ａ）界磁極数４のステータと、（ｂ）５ティースを有するコアと、１０セグメントから成る整流子と、セグメントへの結線を介してティースに巻装したコイルとを有するロータと、（ｃ）両ブラシ片が互いに直交して配置され、整流子に対して当接する１対のブラシとを含み、ブラシにおける整流子に当接する回転方向円弧長を、整流子における外周長の２０分の１（π×Ａ／２０、Ａは整流子外径）以下に構成している。
【００２２】
図２に示す状態では、ブラシ片Ｂ１、Ｂ２は、それぞれセグメントＳ３、Ｓ５にのみ当接している。ここで、セグメントＳ１からＳ１０までの長さが、整流子における外周長（π×Ａ）であり、機械角３６０度に相当する。また、両ブラシ片Ｂ１、Ｂ２は互いに直交するように配設されており、両ブラシ片Ｂ１、Ｂ２間の間隔は機械角９０度に相当する。
【００２３】
一方、図８の従来例は、ブラシと、ロータすなわち整流子との位置関係が、本実施例の図２における位置関係と同じである場合を示している。両者を比較する。
【００２４】
図８の従来例では、セグメントＳ２とＳ３とが短絡されることにより、Ｓ２からティースＴ５を巻回してＳ３に至るコイル（○印）は、無通電となる。すなわち、電流が流れない。同様に、セグメントＳ５とＳ６とが短絡されることにより、Ｓ５からティースＴ１を巻回してＳ１０に至るコイル（○印）、Ｓ１０からティースＴ４を巻回してＳ１に至るコイル（○印）、Ｓ１からティースＴ４を巻回してＳ６に至るコイル（○印）も、無通電となる。
【００２５】
一方、図２の本実施例について、ブラシ片Ｂ１が、正電圧でありセグメントＳ３に当接し、ブラシ片Ｂ２が、負電圧でありセグメントＳ５に当接している場合、各コイルの通電状態は次のとおりである。第１の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１からＳ３を介してティースＴ５の回りを流れ、Ｓ８を中継してティースＴ４の回りを流れ、Ｓ９を中継してティースＴ３の回りを流れ、Ｓ４を中継してティースＴ２の回りを流れてＳ５を介してブラシ片Ｂ２に至る。第２の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１からＳ３を介してティースＴ１の回りを流れ、Ｓ２を中継してティースＴ２の回りを流れ、Ｓ７を中継してティースＴ３の回りを流れ、Ｓ６を中継してティースＴ４の回りを流れ、Ｓ１を中継してティースＴ５の回りを流れ、Ｓ１０を中継してティースＴ１の回りを流れてＳ５を介してブラシ片Ｂ２に至る。
【００２６】
上記第１及び第２の電流ルートにおいて、一部に逆電流の流れるコイル（×印）が発生するものの、無通電コイル（〇印）がなく、明らかに有効導体数の減少が図８に示す従来のものに比べ少ない。
【００２７】
次に、図５は本発明の第１の実施例におけるモータにおいて、整流子とブラシとの当接位置が、図２に示す場合とは異なった場合のロータ部展開略図である。
【００２８】
図５において、ブラシ片Ｂ１によってセグメントＳ１０とＳ１とが短絡されるようなときには、Ｓ１からティースＴ５を巻回してＳ１０に至るコイル（○印）は、無通電となる。しかし、ブラシ片Ｂ２はＳ３のみに当接し隣接するセグメントとは短絡しない。したがって、本実施例では、従来例に比べ無通電コイルの発生を抑制できる。
【００２９】
すなわち、ロータの位置により起こりうるブラシによるセグメント間の短絡は、ブラシにおける整流子に当接する回転方向長さ（円弧長）を、整流子外周長の２０分の１（π×Ａ／２０、Ａは整流子外径）以下とすることにより、どちらか一方のブラシが２つのセグメント間を短絡させたときにあっても、もう一方のブラシは１つのセグメントのみに当接するので、有効導体数の減少を防ぐことができる。
【００３０】
さて、本発明の実施例におけるモータの巻線方法は次のとおりである。
【００３１】
図３は本発明の第１の実施例におけるモータの巻線部分展開略図である。
【００３２】
図３において、第１セグメント（Ｓ５）から出る第１コイル線は、第１セグメントに最も近い第１ティース（Ｔ３）に巻装され、そして、第１セグメント（Ｓ５）に隣接する第２セグメント（Ｓ６）に結線される。第２セグメント（Ｓ６）から出る第２コイル線は、第１ティース（Ｔ３）に隣接する第２ティース（Ｔ２）に第１コイル線の巻装方向とは逆方向に巻装され、そして、第２ティース（Ｔ２）に隣接する第３ティース（Ｔ１）における上記第１セグメント（Ｓ５）に対応する第３セグメント（Ｓ１）に結線される。
【００３３】
図３に示す本発明の巻線方法について、図４を用いてさらに詳しく説明する。
【００３４】
図４において、○中に「×」のある印は、巻線が紙面の手前から奥に進行していることを示し、○中に「・」のある印は、巻線が紙面の奥から手前に進行していることを示す。セグメントＳ１−Ｓ１０は、単に（番号）１−１０と記している。第１セグメントＳ５（５）から出る第１コイル線は、セグメントＳ５に最も近い第１ティースＴ３に図中に上記印で示される巻線方向に複数回巻装され、そして、セグメントＳ５に隣接する第２セグメントＳ６（６）に結線される。セグメントＳ６から出る第２コイル線は、ティースＴ３に隣接する第２ティースＴ２に第１コイル線の巻装方向とは逆方向に複数回巻装され、そして、ティースＴ２に隣接する第３ティースＴ１における上記第１セグメントＳ５（５）に対応する第３セグメントＳ１（１）に結線される。図４に示す上記の接続を、同様に全セグメントに施すことにより、本実施例のモータの巻線が完成する。
【００３５】
図５は図３に示す上記の接続方法を全セグメントに施すとともに、本実施例のブラシと整流子との寸法関係及び配置関係を適用したものである。図５における各コイルを流れる電流の通電状態は次のとおりである。図５において、ブラシ片Ｂ１が、正電圧でありセグメントＳ１とＳ１０の両方に当接している。ブラシ片Ｂ２が、負電圧でありセグメントＳ３のみに当接している。第１の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１からＳ１を介してティースＴ４の回りを流れ、Ｓ６を中継してティースＴ３の回りを流れ、Ｓ７を中継してティースＴ２の回りを流れ、Ｓ２を中継してティースＴ１の回りを流れてＳ３を介してブラシ片Ｂ２に至る。第２の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１からＳ１０を介してティースＴ１の回りを流れ、Ｓ５を中継してティースＴ２の回りを流れ、Ｓ４を中継してティースＴ３の回りを流れ、Ｓ９を中継してティースＴ４の回りを流れ、Ｓ８を中継してティースＴ５の回りを流れてＳ３を介してブラシ片Ｂ２に至る。なお、ティースＴ５に巻装されたＳ１とＳ１０との間のコイル（○印）には上述したように電流が流れない。
【００３６】
このように、本実施例においては、図５に示すように一方のブラシ片Ｂ１がＳ１とＳ１０とを短絡し、もう一方のブラシ片Ｂ２はＳ３のみに当接するようなときでも、図８に示す従来例に比べ、無通電コイル（〇印）が少なく、明らかに有効導体数の減少が少ない。
【００３７】
図２及び図５に示すように、本第１の実施例におけるモータは、ブラシによる整流子セグメントの短絡枚数を最小限にし、有効導体数の減少を防止することができる。さらには、同一スロット内のコイルに流れる電流の方向が逆向きになることを極力防止することができる。したがって、モータ出力が低減されることなく、大幅な小型化、軽量化が可能であるという有利な効果を得ることができる。
【００３８】
（第２の実施例）
図６は本発明の第２の実施例におけるモータに係り、従来の巻線方法によるロータに対して本発明に係るブラシと整流子との寸法関係を適用した場合のロータ部展開略図である。
【００３９】
図９は従来のモータと同様の巻線部分展開略図である。
【００４０】
図９において、セグメントＳ５から出るコイルは、ティースＴ２に巻装された後、セグメントＳ５に隣接するセグメントＳ６に結線される。また、セグメントＳ６から出るコイルは、同ティースＴ２に巻装され、所定のセグメントＳ１に結線される。図６は図９の接続を全セグメントに施したロータに、本実施例のブラシと整流子との寸法関係を適用したものである。
【００４１】
このように、本第２の実施例においては、図９に示すような従来の巻線方法を採用したものであっても、本実施例のブラシと整流子との寸法関係を適用することにより、図６に示すように一方のブラシ片Ｂ１がＳ１とＳ１０とを短絡したときでも、もう一方のブラシ片Ｂ２はＳ３のみに当接する。
【００４２】
図６における各コイルを流れる電流の通電状態は次のとおりである。図６において、ブラシ片Ｂ１が、正電圧でありセグメントＳ１とＳ１０の両方に当接している。ブラシ片Ｂ２が、負電圧でありセグメントＳ３のみに当接している。第１の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１からＳ１を介してティースＴ４の回りを流れ、Ｓ６を中継してティースＴ２の回りを流れ、Ｓ７を中継してティースＴ２の回りを流れ、Ｓ２を中継してティースＴ５の回りを流れてＳ３を介してブラシ片Ｂ２に至る。第２の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１からＳ１０を介してティースＴ１の回りを流れ、Ｓ５を中継してティースＴ１の回りを流れ、Ｓ４を中継してティースＴ３の回りを流れ、Ｓ９を中継してティースＴ３の回りを流れ、Ｓ８を中継してティースＴ５の回りを流れてＳ３を介してブラシ片Ｂ２に至る。なお、ティースＴ４に巻装されたＳ１とＳ５との間のコイル（○印）には電流が流れない。
【００４３】
図６に示す本第２の実施例においては、図８に示す従来例に比べ、無通電コイル（〇印）が少なく、明らかに有効導体数の減少が少なくモータ効率が優れている。
【００４４】
しかしながら、図６に示す本第２の実施例と図５に示す第１の実施例とを比較すると、楕円で囲んだスロットには、逆方向電流が流れるコイルが存在するが、該当するスロットは図６に示す第２の実施例の方が多い。すなわち、第１の実施例の方が、有効導体数の減少が少ない。言い換えると、第１の実施例の方が、有効導体数が多く同体格で大きい出力が取り出せる。また、ロータのあらゆる回転位置においても、図３の巻線方法の方が、図９の巻線方法に比べ、逆電流が存在するスロットが少ない。
【００４５】
（第３の実施例）
図７は本発明の第３の実施例における電動機器の構成図である。
【００４６】
図７において、電動機器は、筐体５１と、その筐体５１に搭載されるモータ５３と、そのモータを動力源として駆動される機構部５２とを含んでいる。さらに
、本実施例の電動機器は外部からの給電線５５を介して給電される電源５４を備えている。その電源５４からリード線を介してモータ５３が駆動される。モータ５３の出力軸を介して機構部５２に回転トルクが伝達される。機構部５２は負荷５６に対して仕事をする。
【００４７】
モータ５３には、上記本発明の実施例の構成を有するモータが用いられる。
【００４８】
本発明の電動機器としては、具体的には、例えば、自動車に搭載される電装機器や電動工具に好適である。電装機器としては、例えば自動車の窓の開閉を電動で行うパワーウィンドウに適用できる。その場合は、筐体５１は自動車のボディまたはドアであり、電源５４は自動車に搭載されるバッテリーであり、機構部５２は窓開閉機構であり、負荷５６が窓である。また、例えば自動車のラジエータの冷却器にも適用できる。その場合は、筐体５１は自動車のボディであり、電源５４は自動車に搭載されるバッテリーであり、機構部５２及び負荷５６が冷却用送風ファンである。
【００４９】
また、電動工具としては、例えば電動ドライバに適用できる。その場合は、電源５４は、給電線５５を介して外部の商用電源から供給される交流電圧を整流及び平滑し直流電圧に変換し、モータ５３に電力供給する。機構部５２は、電源５４からの電力を受けて回転するモータ５３の出力軸の回転トルクを減速及びトルク増大する。負荷５６は、機構部５２の出力軸としてのドライバによって板などに締め付けられるねじなどである。なお、電源５４は充電電池であってもよい。
【００５０】
このような種々の電動機器に搭載されるモータとして、本発明に係るモータを採用した場合、そのモータは、従来のモータに比べ、出力が低減されることなく大幅な小型化、軽量化が可能である。したがって、そのモータを搭載した本発明の電動機器もまた、大幅な小型化、軽量化が可能である。
【００５１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ブラシの回転方向長さを円弧長でＡ×π／２０以下とすることにより、どちらかのブラシが２子片を短絡させた場合、もう一方のブラシは１子片にしか当接せず有効導体数の減少を防ぐことができ、モータの出力が低減されることなく大幅な小型化、軽量化が可能であるという有利な効果を得ることができる。
【００５２】
また、本発明によれば、整流子の同相隣接子片の一方から出るコイルは該子片に最も近い異相ティース巻装され、もう一方の子片に接続されており、該もう一方の子片から出るコイルは前記異相ティースに隣接する同相ティースに、前記巻装方向とは逆方向に巻装され、対応する子片に接続されているため、同スロット内コイルに逆電流が流れることを抑制でき請求項１と同様に有効導体数の減少を防止することができ、モータの出力が低減されることなく大幅な小型化、軽量化が可能であるという有利な効果を得ることができる。
【００５３】
また、本発明によれば、出力が低減されることなく大幅な小型化、軽量化されたモータを具備することで、電動機器の小型化、軽量化をすることができるという有利な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例におけるモータの断面図
【図２】 本発明の第１の実施例におけるモータのロータ部展開略図
【図３】 本発明の第１の実施例におけるモータの巻線部分展開略図
【図４】 図３に示すモータの巻線部分の巻線方法説明図
【図５】 本発明の第１の実施例におけるモータにおいて、整流子とブラシとの当接位置が変った場合のロータ部展開略図
【図６】 本発明の第２の実施例におけるモータに係り、従来の巻線方法によるロータに対して本発明によるブラシと整流子と寸法関係を適用した場合のロータ部展開略図
【図７】 本発明の第３の実施例における電動機器の構成図
【図８】 従来のモータのロータ部展開略図
【図９】 図８に示す従来のモータの巻線部分展開略図
【符号の説明】
３１ モータ
３２ シャフト
３３，３４ 軸受
３５ ロータ
３６ フレーム
３７ ステータマグネット
３８，３９，Ｂ１，Ｂ２ ブラシ片
４０ スロット
４１，Ｔ１〜Ｔ５ ティース
４２ 整流子
４３ 巻線接続部
４４ コア
５１ 筐体
５２ 機構部
５３ モータ
５４ 電源
５５ 給電線
５６ 負荷
Ｓ１〜Ｓ１０ 子片

Claims (4)

1. 界磁極数４のステータと、５ティースを有するコアと１０セグメントから成る整流子と前記セグメントへの結線を介して前記ティースに巻装したコイルとを有するロータと、両ブラシ片が互いに直交して配置され、前記整流子に対して当接する１対のブラシで構成されたモータにおいて、
   第１セグメントから出る第１コイル線は、前記第１セグメントに最も近い第１ティースに巻装され、そして、前記第１セグメントに隣接する第２セグメントに結線され、前記第２セグメントから出る第２コイル線は、前記第１ティースに前記第１セグメントから第２セグメントへと向う整流子の周方向とは反対の方向で隣接する第２ティースに前記第１コイル線の巻装方向とは逆方向に巻装され、
   そして、前記第２ティースに前記第１セグメントから第２セグメントへと向う整流子の周方向とは反対の方向で隣接する第３ティースに最も近い第３セグメントに結線されていることを特徴とするモータ。
2. 全てのセグメントにコイルが接続された構成の請求項１記載のモータ。
3. ブラシにおける前記整流子に当接する回転方向円弧長を、前記整流子における外周長の２０分の１（π×Ａ／２０、Ａは整流子外径）以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のモータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のモータが搭載された電動機器。

Images