JP4127631B2

JP4127631B2 - 無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ

Info

Publication number: JP4127631B2
Application number: JP2002225386A
Authority: JP
Inventors: 征治石部
Original assignee: 征治石部
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: JP2004032969A; AU2003244149A1; WO2004004097A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は整流子型直流モータ又はユニバーサルモータの整流子の代わりに、ロータのコイルの端部に接続するスリップリングを用いた、無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
整流子型直流モータは、小型・軽量でもパワーが大きく、供給電力に対する運動エネルギー変換効率が各種モータの中で最も高いレベルにあるという利点を有している。
従って、バッテリーに蓄積された限られた電力を効率よく使う必要がある電気自動車、電動車椅子、電動自転車等の用途に、潜在的な可能性をもつモータということができ、また、回転速度が小さいほど発生トルクが大きいという特性も電気自動車等の用途に適している。
【０００３】
しかし、整流子型直流モータは、ロータとともに回転する整流子とブラシの間のすり接触により電力を供給する方式であるため、次のような問題がある。
1)ブラシと整流子の摩耗が早く、火花や熱の発生、それに基づく材料表面の酸化がこの摩耗を促進する。摩耗した場合、ブラシや整流子を取り替えればよいのだが、それが不都合なことが多く、モータの寿命が短い。
2)ブラシには一定の圧力がかけられ、整流子の表面に接触するようになっているが、何らかの原因により接触不良が生じ、モータが回らなくなることがある。万一、自動車等において走行中にモータが停止すると危険である。
3)火花が電気的ノイズの原因となる。自動車の制御系に影響を与える危険がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
整流子型直流モータのこれらの問題点を解決する手段として、ブラシと整流子からなる機械的スイッチング機構を等価な電子回路のスイッチング機構に置き換えるという考え方が存在する。
１つはいわゆるブラシレスモータであり、コイルがステータ側に固定され、永久磁石がロータとして回転する構造である。しかし、このブラシレスモータは慣性が大きく応答性が劣り、頻繁に起動、停止、加減速を繰り返す自動車用モータとしては適当でなく、その場合のエネルギー変換効率も劣る。
もう１つはスリップリングとそれに常時接触するブラシを用い、ロータのコイルを引き出して前記スリップリング（コイル１つ当り２個のスリップリング）に接続し、電子回路のスイッチング機構により前記コイルへの通電を制御するというものである。
【０００５】
後者の場合、スリップリングとブラシが常時接触しているため、電気的ノイズの主原因である火花の発生がなく、それに伴って熱の発生が減る利点がある。従って、スリップリングとブラシの摩耗が比較的抑えられる。また、各スリップリングに専用のブラシが接触するため接触不良を減らすこともできる。しかし、機械的な接触がある点は従来の整流子型直流モータと同じであり、すり接触による摩耗は存在する。また、すり接触による熱の発生があり、それに伴う材料表面の酸化もあり、摩耗に関して大きい改善は見込めず、モータの寿命の改善のレベルは大きくない。
【０００６】
本発明は、スリップリングとブラシを用いて直流モータのロータのコイルに電力を供給する場合において、スリップリングとブラシの摩耗を減らし、モータの寿命を改善することを主たる目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロータの回転軸の周囲に互いに絶縁したスリップリングを複数個固定し、ロータに当該複数個に応じて分装された各コイルの端部を各々前記スリップリングに接続し、前記回転軸の周囲に前記各スリップリングにそれぞれ常時接触するブラシを固定配置し、前記ブラシ及びスリップリングを通しロータの回転位相に応じて各コイルに通電するようにした無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータであり、前記ブラシをリング状にして前記スリップリングの側面に接触させるとともに、前記スリップリング及びブラシをこれらを囲繞する容器内に収容し、該容器内において絶縁性の潤滑オイルで前記スリップリング及びブラシの接触面を潤滑させ、かつ、この接触面に形成された潤滑オイルの油膜の一部が破れる程度の力で前記各ブラシを板バネによって前記各スリップリングに押し付けたことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、スリップリングとブラシとは共にリング状をしており、各々は側面接触するものであるから、接触面積が大きい。また、スリップリング表面とブラシの間に潤滑オイルの膜が形成され、熱の発生も減り、ブラシの摩耗が劇的に減少する。なお、潤滑オイルは絶縁性であるが、ブラシの接触圧を適当に設定すれば、スリップリングとブラシの接触面の一部において潤滑オイルの膜が破れた箇所ができ、そこを通して電流が継続的に流れる。
潤滑の具体的な方式は任意であり、代表例として、浸漬方式（容器内に溜まった潤滑オイルにスリップリングの一部（場合によってはブラシの一部も）が浸漬された状態）、噴霧方式（容器内に潤滑オイルを噴霧し、その微粒子がスリップリング表面に付着）等を挙げることができる。さらに容器内に不活性ガスを充填してもよい。容器内の潤滑オイルはポンプで吸い上げ、オイルフィルターやオイルクーラーを循環させることが望ましい。
【０００９】
また、前記容器内に絶縁性の潤滑オイルの代わりに不活性ガスを充填してもよい。この場合、潤滑による摩耗低減の作用は得られないが、すり接触により熱が発生してもスリップリングとブラシの酸化が防止でき、それによる摩耗の改善を見込むことができる。
上記無整流子型直流モータにおいて、整流子及びブラシの作用を電子回路によるスイッチング機構により代替する必要があり、ローターの位置を検出する検出手段と、該検出手段からの信号に基づき前記コイルへの通電を制御するスイッチング回路を備えることになる。
なお、本発明は、ユニバーサルモータ（無整流子型ユニバーサルモータ）にも同様に適用することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図３を参照して、本発明に係る無整流子型直流モータについてより具体的に説明する。
図１において、ロータ１はコア２とそのスロットに巻かれたコイル３（この例ではコイル数は６）からなり、永久磁石からなるステータは図示が省略されている。ロータ１の回転軸４が軸受５、６により支持され、その回転軸４の周囲に絶縁体７を介し、１２個のスリップリング８が互いに絶縁された状態で固定されている。
【００１１】
一方、６個のコイル３からはそれぞれ２つの導線３ａ、３ｂが外に延び、回転軸４に固定された回転支持体１１に絶縁体１２を介して支持され、さらに外に延びて先端が前記各スリップリング８に固定されている。前記回転支持体１１は軸受１３に回転自在に支持されている。
なお、図２に示すように、各スリップリング８には各コイル３の導線３ａ、３ｂを通す穴１４が形成され、そこに端部が固定されなかった導線３ａ、３ｂは絶縁体１５を介して当該スリップリング８から絶縁されるとともに、そこを通過してその先のスリップリング８に固定される。これが繰り返されて、６個のコイル３の導線３ａ、３ｂの端部は、それぞれ絶縁された１２個のスリップリング８に接続される。
【００１２】
各スリップリング８に接触してリング状のブラシ１６が配置される。このブラシ１６は絶縁性の支持部材１７の内側に固定され、支持部材１７はさらに後述する容器２２の内側に固定されている。また、各ブラシ１６の近傍に板バネ１８が前記支持部材１７に固定されて配置され、この板バネ１８の付勢力がブラシ１６を各スリップリング８に押し付け、両者が所定の接触圧ですり接触するようになっている。
また、各スリップリング８には、外部から電力を供給するための導線１９を接続する取付部２１を設けている。
【００１３】
さらに、スリップリング８及びブラシ１６を囲繞する容器２２が設けられ、これは、オイルシール２３、２４を介して回転支持体１１及び回転軸４の周囲に配置されている。容器２２内には図示しない噴霧装置により絶縁性の潤滑オイルが霧状に噴霧され、スリップリング８及びブラシ１６の表面を濡らし、容器２２の底に溜まった潤滑オイルは図示しないオイルポンプにより吸い上げられ、容器２２外に設置されたオイルフィルターやオイルクーラーを循環し、再び容器２２内に噴霧される。
【００１４】
図３は、この直流モータの駆動・制御系を模式的に示すもので、ロータリエンコーダ２５（回転軸４に固定され共に回転するスリット円板２６、発光ダイオード２７及びフォトトランジスタ２８からなる）からのロータ１の位置信号が、スイッチング回路を有する駆動・制御装置２９に送られる。駆動・制御装置２９のスイッチング回路はスイッチング素子を含み、従来の整流子とブラシによる機械的スイッチングの代替を行う電子回路で、それ自体は公知である。駆動・制御装置２９はロータリーエンコーダ２５からの位置信号をもとに、前記スイッチング回路により、所定のタイミングで各コイル８に流れる電流のオン−オフ及び転流を遂行する。なお、図３において、３０は直流電源である。
【００１５】
なお、整流子型直流モータは、整流子とブラシによる機械的スイッチング機構であるため、各コイルに流れる電流のオン−オフ及び転流のタイミングは常に初期設定の通りに遂行されるが、上記無整流子型直流モータでは、ロータの複数個のコイルをスイッチング回路により個別に制御するので、そのタイミングを任意に選択、設定することができる。また、コイルに負荷する電圧等についても各コイル毎に制御することができる。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、スリップリングとブラシを用いて直流モータのロータのコイルに電力を供給する無整流子型直流モータにおいて、スリップリングとブラシの摩耗を減らし、モータの寿命を長期化することができ、運動エネルギー変換効率が高い直流モータの用途を、電気自動車、電動車椅子、電動自転車等にも広げることができる。
また、無整流子型直流モータは、電子回路によるスイッチング機構で制御するため、各コイル毎に電流のオン−オフ及び転流のタイミング、電圧等を任意に制御でき、また、火花の発生がなく電気的ノイズの発生がないことなども、上記用途に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る無整流子型直流モータの模式的な平面断面図である。
【図２】そのＩ−Ｉ矢視断面図（要部飲み）である。
【図３】その駆動・制御系の模式図である。
【符号の説明】
１ロータ
４回転軸
８スリップリング
１６ブラシ
１８板バネ
２２容器

Claims

ロータの回転軸の周囲に互いに絶縁したスリップリングを複数個固定し、ロータに当該複数個に応じて分装された各コイルの端部を各々前記スリップリングに接続し、前記回転軸の周囲に前記各スリップリングにそれぞれ常時接触するブラシを固定配置し、前記ブラシ及びスリップリングを通しロータの回転位相に応じて各コイルに通電するようにした無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータであり、前記ブラシをリング状にして前記スリップリングの側面に接触させるとともに、前記スリップリング及びブラシをこれらを囲繞する容器内に収容し、該容器内において絶縁性の潤滑オイルで前記スリップリング及びブラシの接触面を潤滑させ、かつ、この接触面に形成された潤滑オイルの油膜の一部が破れる程度の力で前記各ブラシを板バネによって前記各スリップリングに押し付けたことを特徴とする無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ。
容器内に潤滑オイルを噴霧し、該容器内に溜まった該潤滑オイルをオイルフィルターを通してポンプで循環させる請求項１の無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ。
潤滑オイルに代えて不活性ガスを容器内に充填した請求項１の無整流子型直流モータ又はユニバーサルモータ。