JP5058753B2

JP5058753B2 - 電動モータ

Info

Publication number: JP5058753B2
Application number: JP2007286380A
Authority: JP
Inventors: 直樹塩田; 義親川島
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-11-02
Also published as: JP2009118579A

Description

この発明は、車両等に搭載される電動モータに関するものである。

従来から、車両等に搭載されるブラシ付きの電動モータが知られている。この電動モータは、内周面に複数個の磁石を取り付けた円筒状のヨークの内側にアーマチュアコイルが巻装されたアーマチュアが回転自在に配置された構成となっている。アーマチュアは回転軸に外嵌固定されたアーマチュアコアを有している。アーマチュアコアには、巻線を巻装するためのティースが放射状に形成され、これらティース間に軸方向に長いスロットが形成されている。

各ティースには巻線が巻装され、集中巻き構造のアーマチュアコイルが形成されている。
アーマチュアコイルは、回転軸に取り付けられた各セグメントに導通している。各セグメントはブラシと摺接可能になっており、このブラシからセグメント端子に電圧を印加することによってアーマチュアコイルに電流が給電されるようになっている。このとき、アーマチュアコイルに磁界が形成され、ヨークの磁石との間に生じる磁気的な吸引力や反発力によって回転軸が駆動するようになっている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、アーマチュアコアへの巻線の巻装方式としては、集中巻き方式の他に重ね巻き（分布巻）方式がある。この重ね巻き方式によって巻装されたアーマチュアと４つのブラシを用い、各ブラシの通電パターンを変えることで回転速度を切替える電動モータがある。
この種の電動モータの作用を図１３〜図１５に基づいて説明する。図１３〜図１５は、アーマチュア１００への通電パターンを示す説明図であり、図１３は２つの陽極側ブラシ１０１，１０３と２つの陰極側ブラシ１０２，１０４との４つのブラシに通電した状態、図１４は１つの陽極側ブラシ１０１と２つの陰極側ブラシ１０２，１０４との３つのブラシに通電した状態、図１５は１つの陽極側ブラシ１０１と１つの陰極側ブラシ１０２との２つのブラシに通電した状態を示す。

図１３〜図１５に示すように、重ね巻き方式にて巻線が巻装されたアーマチュア１００は、並列回路数が４つの回路（直列コイル）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４となる。
４つのブラシ１０１，１０２，１０３，１０４に通電すると（図１３参照）、回路Ｃ１にブラシ１０１からブラシ１０４に向かう電流Ｉ１が流れ、回路Ｃ２にブラシ１０１からブラシ１０２に向かう電流Ｉ２が流れ、回路Ｃ３にブラシ１０３からブラシ１０２に向かう電流Ｉ３が流れ、回路Ｃ４にブラシ１０３からブラシ１０４に向かう電流Ｉ４が流れる。すなわち、全ての回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に電流が流れる。

これに対し、３つのブラシ１０１，１０２，１０４に通電すると（図１４参照）、回路Ｃ１と回路Ｃ２のみに電流Ｉ１，Ｉ２が流れる。したがって、３ブラシ通電時のトルクは、４ブラシ通電時の半分のトルクしか得られない。
一方、２つのブラシ１０１，１０２に通電すると（図１５参照）、各回路Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４に電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４’が流れる。

ここで、図１５に示すように、回路Ｃ４に流れる電流Ｉ４’はブラシ１０４からブラシ１０３に向かって流れる。つまり、２ブラシ通電時の回路Ｃ４に流れる電流Ｉ４’は、４ブラシ通電時の回路Ｃ４に流れる電流Ｉ４と向きが逆になり、回路Ｃ１または回路Ｃ３のトルクと打ち消しあう。したがって、２ブラシ通電時のトルクは、４ブラシ通電時の１／３のトルクしか得られない。
このように、各ブラシ１０１，１０２，１０３，１０４の通電パターンを変えることで、有効導体数や通電電流を変えてトルクを変化させ、回転速度を切替えることができる。
特開２００６−２０４０７０号公報

しかしながら、上述の従来技術のように並列回路数が４回路の４ブラシ付電動モータでは、各ブラシ１０１，１０２，１０３，１０４の通電パターンを変えることで回転速度を切替えることができるが、アーマチュアコアに巻線を集中巻き方式にて巻装した場合にあっては並列回路数が２回路になるため、ブラシの通電パターンを変えても回転速度を切替えることが困難であるという課題がある。

そこで、この発明は、巻線を集中巻き方式にて巻装した場合であっても、４つのブラシの通電パターンを変えることで回転速度の切替えを行うことができる電動モータを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、８極の磁極を有するヨークと、前記ヨークに軸支される回転軸と、前記回転軸に取り付けられ径方向に向かって放射状に延び、巻線が集中巻き方式にて巻装される１２個のティースと、該ティース間に形成され軸線方向に沿って延びる１２個のスロットとを有するアーマチュアコアと、前記回転軸に前記アーマチュアコアと隣接して設けられ１２枚のセグメントを周方向に配置したコンミテータと、前記セグメントを介して前記巻線に給電を行うための４つのブラシとを備え、前記４つのブラシを陽極側ブラシと陰極側ブラシとの組みを２つ備えて構成し、同極側同士のブラシを前記回転軸を中心にして対向配置すると共に、異極側同士のブラシを電気角で１８０度周方向に間隔をあけて配置している３相構造の電動モータであって、前記セグメントを前記回転軸を中心にして互いに点対称位置に存在する２つのセグメント群で構成し、各セグメント群の同電位となるセグメント同士を短絡部材で短絡し、前記セグメント群毎に、同相同士のティース全てに直列に巻装された各相の巻線で構成される回路を形成し、一方の回路の第３相の巻き終わり端と、他方の回路の第１相の巻き始め端とを接続すると共に、一方の回路の第１相の巻き始め端と、他方の回路の第３相の巻き終わり端とを接続することを特徴とする。
このように構成することで、ティースに集中巻き方式にて巻線を巻装しても２つのセグメント群にそれぞれ３相構造の回路が形成される。このため、並列回路数を従来の集中巻き構造での並列回路数と比較して２倍の４回路とすることができる。つまり、１つの３相集中巻きの回路には、並列回路数が２回路存在しているので、これを２つ合わせて全部で４回路とすることができる。
また、各相の巻線はそれぞれ同相同士のティース全てに直列に巻装されているので、ブラシの通電パターンを変化させて例えば、３つのブラシに通電した場合であっても通電される巻線のバランスが悪化することを防止できる。すなわち、ブラシの通電パターンを変化させることで、通電される巻線がアンバランスになった場合であっても、通電している相と同相のティース全てに同程度の磁界を発生させることができる。

請求項２に記載した発明は、ｎを２以上の自然数、ａを１以上の自然数で、かつｎよりも小さい数としたとき、前記各相の巻線は、この巻線に対応するティースで、かつ巻き始め端が接続されているセグメントの近傍に存在するティース、または、巻き始め端が接続されているセグメントの近傍に存在するティースと同相であって、かつこのティースに隣接する２つのティースのうちの何れか一方にｎ−ａ回巻回し、これらのティースと同相であって、かつその他のティースにｎ回巻回した後、再度巻き始めのティース、または、巻き始めのティースに隣接する前記一方のティースにａ回巻回するように構成されていることを特徴とする。
このように構成することで、各相のコイルを形成するにあたり、巻線の巻き始めとなるティースと巻き終わりとなるティースをそれぞれ巻線の巻き始め端が接続されるセグメントと巻線の巻き終わり端が接続されるセグメントの近傍に設定することができる。このため、巻き始め端から巻き始めのティースに至るまでの配線長さ、および巻き終わりのティースから巻き終わり端に至るまでの配線長さを短く設定することができる。

請求項１に記載した発明によれば、ティースに集中巻き方式にて巻線を巻装しても２つのセグメント群にそれぞれ３相構造の回路が形成される。このため、並列回路数を従来の集中巻き構造での並列回路数と比較して２倍の４回路とすることができる。つまり、１つの３相集中巻きの回路には、並列回路数が２回路存在しているので、これを２つ合わせて全部で４回路とすることができる。
このため、４ブラシ通電時、３ブラシ通電時、および２ブラシ通電時において、電流が流れる巻線の本数を変化させることができ、それぞれトルクの大きさを変化させることが可能になる。よって、巻線を３相集中巻き方式にて巻装した場合であっても、４つのブラシの通電パターンを変えることで回転速度の切替えを行うことができる。

また、各相の巻線はそれぞれ同相同士のティース全てに直列に巻装されているので、ブラシの通電パターンを変化させて例えば、３つのブラシに通電した場合であっても通電される巻線のバランスが悪化することを防止できる。すなわち、ブラシの通電パターンを変化させることで、通電される巻線がアンバランスになった場合であっても、通電している相と同相のティース全てに同程度の磁界を発生させることができる。
このため、通電される巻線によるアーマチュアの振れ回りを低減することが可能になると共に、電磁気バランスの差異や抵抗差によって生じる循環電流を低減させることが可能になる。

請求項２に記載した発明によれば、各相のコイルを形成するにあたり、巻線の巻き始めとなるティースと巻き終わりとなるティースをそれぞれ巻線の巻き始め端が接続されるセグメントと巻線の巻き終わり端が接続されるセグメントの近傍に設定することができる。このため、巻き始め端から巻き始めのティースに至るまでの配線長さ、および巻き終わりのティースから巻き終わり端に至るまでの配線長さを短く設定することができる。
よって、アーマチュアコアとコンミテータとの間の巻き太りを解消することができ、アーマチュアの小型化を図ることが可能になる。

次に、この発明の第一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
図１に示すように、電動モータ１は、例えば、自動車のパワーウインドウモータ、ワイパモータ、およびファンモータ等に用いられる車両搭載用の直流モータであって、有底円筒形状のヨーク２内にアーマチュア３を回転自在に配置している。ヨーク２の内周面には周方向にセグメント型の永久磁石４が磁極を順番に変えながら８個固定されている。

アーマチュア３は、回転軸５に固定されたアーマチュアコア６と、アーマチュアコア６に巻装されたアーマチュアコイル７と、アーマチュアコア６の一端側に配置されたコンミテータ１３とから構成されている。アーマチュアコア６は、リング状の金属板８を軸線方向に複数枚積層したものである。金属板８の外周部には軸線方向平面視で略Ｔ字状を有するティース９が放射状に１２個形成されている。各ティース９には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相が周回り方向にこの順で割り当てられている。

複数枚の金属板８を回転軸５に外嵌することにより、アーマチュアコア６の外周には隣接するティース９間に蟻溝状のスロット１１が形成されている。スロット１１は軸線方向に沿って延びており、周方向に沿って等間隔に１２個形成されている。このスロット１１間にはエナメル被覆の巻線１２が巻装され、これによりアーマチュアコア６の外周に複数のアーマチュアコイル７が形成される。

コンミテータ１３は回転軸５の一端に外嵌固定されている。コンミテータ１３の外周面には、導電材で形成されたセグメント１４が１２枚取り付けられている。セグメント１４は軸線方向に長い板状の金属片からなり、互いに絶縁された状態で周方向に沿って等間隔に並列に固定されている。

各セグメント１４のアーマチュアコア６側の端部には、外径側に折り返す形で折り曲げられたライザ１５が一体形成されている。ライザ１５には、アーマチュアコイル７の巻き始め端部と巻き終わり端部となる巻線１２が掛け回わされ、巻線１２はヒュージングによりライザ１５に固定されている。これにより、セグメント１４とこれに対応するアーマチュアコイル７とが電気的に接続される。また、ライザ１５には、同電位となるセグメント１４同士に後述する接続線２５ａ，２５ｂが掛け回されてヒュージングにより固定され、同電位のセグメント１４同士が短絡されている。

回転軸５の他端側は、ヨーク２に突出形成されたボス内の軸受け１６によって回転自在に支持されている。一方、ヨーク２の開口端にはカバー１７が設けられており、このカバー１７の内側にはホルダステー１８が取り付けられている。ホルダステー１８には周方向に沿ってブラシホルダ１９が４箇所設けられている。
ブラシホルダ１９には、それぞれブラシ２１がスプリング２９を介して付勢された状態で出没自在に内装されている。これらブラシ２１の先端部は、スプリング２９によって付勢されているためコンミテータ１３に摺接しており、外部からの電源がブラシ２１を介してコンミテータ１３に供給されるようになっている。

図２に示すように、ブラシ２１は、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａと陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂとの組みを２つ備えた４つのブラシ５１ａ〜５２ｂで構成されている。そして、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａ同士、および陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂ同士は互いに回転軸５を中心に対向配置されていると共に、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａと陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂは周方向に４５°間隔をあけて配置されている。すなわち、同極側同士のブラシは、機械角で１８０°、異極側同士のブラシは電気角で１８０°間隔をあけて配置されている。なお、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａと陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂとの配置を互いに反対にしてもよい。

このように、永久磁石４が８個、つまり、磁極が８極、スロット１１が１２個、セグメント１４が１２枚設けられ、８極１２スロット１２セグメントの３相に構成された電動モータ１のアーマチュア３には、以下のように巻線１２が巻装されてアーマチュアコイル７が形成されている。
図３、図４はアーマチュア３のセグメント１４（ライザ１５）とティース９を展開した図面であり、隣接するティース９間の空隙がスロット１１に相当している。なお、以下の図面においては、各セグメント１４、各ティース９、および巻装された巻線１２にそれぞれ符号を附し、各ティース９にＵ相、Ｖ相、Ｗ相をこの順で割り当てて説明する。

ここで、セグメント１４は、回転軸５を中心にして互いに点対称位置に存在する第一セグメント群４１と第二セグメント群４２との２つのセグメント群４１，４２で構成され、各々セグメント群４１，４２には、同電位となるセグメント１４同士を短絡する接続線２５ａ，２５ｂが接続されている。すなわち、１番セグメント１４ａから６番セグメント１４ｆに至る間で第一セグメント群４１を構成すると共に、７番セグメント１４ｇから１２番セグメント１４ｌに至る間で第二セグメント群４２を構成している。そして、第一セグメント群４１のうち、同電位となる２つ置きのセグメント１４（例えば、１番セグメント１４ａと４番セグメント１４ｄ）同士が接続線２５ａによって短絡されていると共に、第二セグメント群４２のうち、同電位となる２つ置きのセグメント１４（例えば、７番セグメント１４ｇと１０番セグメント１４ｊ）同士が接続線２５ｂによって短絡されている。

巻線１２は、例えば、その巻き始め端３０が第一セグメント群４１の１番セグメント１４ａより巻き始められた場合、まず、１番セグメント１４ａのライザ１５に掛け回された後、１番セグメント１４ａの近傍に存在する１−１２番ティース９の間のスロット１１ａに引き込まれる。続いて、１番ティース９にｎ回（ｎは２以上の自然数であって、各ティース９に対する所望の巻回数）巻回された後、１−２番ティース９の間のスロット１１ｂから巻線１２が引き出される。

そして、３−４番ティース９の間のスロット１１ｃに引き込んで１番ティース９と同相の４番ティース９に巻線１２をｎ回巻回し、４−５番ティース９の間のスロット１１ｄから引き出す。この巻装手順をその他の同相のティース９、つまり、７番ティース９、１０番ティース９にも順次行い、４つのティース９にそれぞれ巻装された巻線１２を１０−１１番ティース９の間のスロット１１ｈから引き出す。そして、スロット１１ｈから引き出された巻線１２は、５番セグメント１４ｅに巻き終わり端４０が接続される。なお、５番セグメント１４ｅは１番セグメント１４ａに隣接する２番セグメント１４ｂと接続線２５ａによって短絡されている。すなわち、５番セグメント１４ｅに巻き終わり端４０を接続することは、２番セグメント１４ｂに巻き終わり端４０が電気的に接続されていることになる。これにより、１−２番セグメント１４ａ，１４ｂ間には、このセグメント１４ａ，１４ｂ間に対応するＵ相の全てのティース９に直列にｎ回巻装されたＵ相のアーマチュアコイルＵが形成される。

また、Ｖ相のアーマチュアコイルＶ、Ｗ相のアーマチュアコイルＷについてもそれぞれＵ相のアーマチュアコイルＵと同様に巻線１２を巻装し、Ｖ相のアーマチュアコイルＶの巻き始め端３０、および巻き終わり端４０を対応する第一セグメント群４１のセグメント１４間に接続すると共に、Ｗ相のアーマチュアコイルＷの巻き始め端３０を第一セグメント群４１の対応するセグメント１４に接続する。このようにすることで、第一セグメント群４１に、８極１２スロットの３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）構造の第一回路Ｋ１が形成される（図４参照）。ここで、Ｗ相のアーマチュアコイルＷの巻き終わり端４０は、第一セグメント群４１上のセグメント１４ではなく、第二セグメント群４２上の７番セグメント１４ｇに接続される。

この７番セグメント１４ｇには、巻線１２の巻き終わり端４０の他に巻線１２の巻き始め端３０も接続されている。
この７番セグメント１４ｇに巻き始め端３０が接続された巻線１２は、７番セグメント１４ｇのライザ１５に掛け回された後、７番セグメント１４ｇの近傍に存在する６−７番ティース９の間のスロット１１ｅに引き込まれる。続いて、７番ティース９にｎ回巻回された後、７−８番ティース９の間のスロット１１ｆから巻線１２が引き出される。

その後、巻線１２は９−１０番ティース９の間のスロット１１ｇに引き込まれ１０番ティース９にｎ回巻回され、さらに、１番ティース９、４番ティース９にも巻線１２をｎ回巻回して４−５番ティース９の間のスロット１１ｄから引き出す。そして、スロット１１ｄから引き出された巻線１２は、１１番セグメント１４ｋに巻き終わり端４０が接続される。なお、１１番セグメント１４ｋは、７番セグメント１４ｇに隣接する８番セグメント１４ｈと接続線２５ｂによって短絡されている。これにより、７−８番セグメント１４ｇ，１４ｈ間には、このセグメント１４ｇ，１４ｈ間に対応するＵ相の全てのティース９に直列にｎ回巻装されたＵ相のアーマチュアコイルＵ’が形成される。

また、Ｖ相のアーマチュアコイルＶ’、Ｗ相のアーマチュアコイルＷ’についてもそれぞれＵ相のアーマチュアコイルＵ’と同様に巻線１２を巻装し、Ｖ相のアーマチュアコイルＶ’の巻き始め端３０、および巻き終わり端４０を対応する第二セグメント群４２のセグメント１４間に接続すると共に、Ｗ相のアーマチュアコイルＷ’の巻き始め端３０を第二セグメント群４２の対応するセグメント１４に接続する。このようにすることで、第二セグメント群４２に、８極１２スロットの３相（Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’相）構造の第二回路Ｋ２が形成される（図４参照）。ここで、Ｗ相のアーマチュアコイルＷ’の巻き終わり端４０は、第二セグメント群４２上のセグメント１４ではなく、第一セグメント群４１上の１番セグメント１４ａに接続される。

したがって、アーマチュア３は、３相集中巻き構造である第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷ、つまり、第３相のアーマチュアコイルＷの巻き終わり端４０と、３相集中巻き構造である第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’、つまり、第１相のアーマチュアコイルＵ’の巻き始め端３０とが互いに接続され、かつ第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵ（第１相のアーマチュアコイル）の巻き始め端３０と、第二回路Ｋ２のＷ相のアーマチュアコイルＷ’（第３相のアーマチュアコイル）の巻き終わり端４０とが互いに接続された状態になっている。

これに加え、同極側同士のブラシ２１が機械角で１８０°、異極側同士のブラシ２１が電気角で１８０°間隔に配置されている。すなわち、例えば、図３、図４に示すように、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａがそれぞれ第一セグメント群４１の１−２番セグメント１４ａ，１４ｂ間、第二セグメント群４２の７−８番セグメント１４ｇ，１４ｈ間に配置され、陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂがそれぞれ第一セグメント群４１の３番セグメント１４ｃ、第二セグメント群４２の９番セグメント１４ｉに配置され、各セグメント群４１，４２に常に対となるブラシ２１が存在する状態となる。このため、１つの回路に並列回路数が２回路となり、アーマチュア３には、集中巻方式であっても並列回路数が４回路構成されることになる。

次に、図５〜図７に基づいて、この第一実施形態のアーマチュア３の作用について説明する。
図５〜図７は、通電させるブラシ別の各アーマチュアコイルＵ〜Ｗ’の通電状態を示す結線図であって、図５（ａ）、図６（ａ）、図７（ａ）は、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａがそれぞれ５番セグメント１４ｅ、１１番セグメント１４ｋに存在し、陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂがそれぞれ１番セグメント１４ａ、７番セグメント１４ｇに存在している場合を示す。また、図５（ｂ）、図６（ｂ）、図７（ｂ）は、陽極側ブラシ５１ａ，５２ａがそれぞれ５番セグメント１４ｅ、１１番セグメント１４ｋに存在し、陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂがそれぞれ６−７番セグメント１４ｆ，１４ｇ間、１２−１番セグメント１４ｌ，１４ａ間に存在している場合を示す。
なお、図５〜図７において、ＳＷは各ブラシ５１ａ〜５２ｂへの通電／非通電状態を切り替えるためのスイッチング素子を示す。

ここで、図５(ａ)のように各ブラシ５１ａ〜５２ｂを配置した状態で４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた場合にあっては、各アーマチュアコイルＵ〜Ｗ’に電流が流れる。このため、各アーマチュアコイルＵ〜Ｗ’の抵抗をＲ、印加電圧をＥとした場合、Ｕ相の各アーマチュアコイルＵ，Ｕ’に流れる電流の電流値ＩはそれぞれＩ＝Ｅ／Ｒとなる。一方、Ｖ相、Ｗ相のアーマチュアコイルＶ，Ｗ、およびアーマチュアコイルＶ’，Ｗ’に流れる電流の電流値Ｉ’はそれぞれＩ’＝Ｅ／２Ｒとなる。

また、図５（ｂ）のように各ブラシ５１ａ〜５２ｂを配置した状態で４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた場合にあっては、第一回路Ｋ１、および第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ，Ｕ’と、第一回路Ｋ１、および第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ，Ｖ’とに電流が流れる。すなわち、６−７番セグメント１４ｆ，１４ｇ間に形成された第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷと、１２−１番セグメント１４ｌ，１４ａ間に形成された第二回路Ｋ２のＷ相のアーマチュアコイルＷ’は、陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂによって短絡された状態となる。このため、Ｕ相の各アーマチュアコイルＵ，Ｕ’とＶ相の各アーマチュアコイルＶ，Ｖ’にそれぞれ電流値Ｉ＝Ｅ／Ｒの電流が流れる。

したがって、４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた状態でのモータトルクをＴ４、極対数をＰ、円周率をπ、導体数をＺ、１極あたりの磁束をφとしたとき、モータトルクＴ４は次式のようになる。
Ｔ４＝（Ｐ／π）Ｚφ×（Ｅ／Ｒ）×４
つまり、通常の８極１２スロット集中巻き方式と同様のトルク（モータ特性）を得ることができる。

図６（ａ）に示すように、５番セグメント１４ｅに存在する陽極側ブラシ５１ａ、１番セグメント１４ａに存在している陰極側ブラシ５１ｂ、および１１番セグメント１４ｋに存在している陽極側ブラシ５２ａの３つのブラシ５１ａ，５１ｂ，５２ａを通電させた場合にあっては、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵと、第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ’、およびＷ相のアーマチュアコイルＷ’とに電流が流れる。すなわち、第一回路Ｋ１のＶ相のアーマチュアコイルＶ、およびＷ相のアーマチュアコイルＷと、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’は無通電状態になる。
このため、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵに電流値Ｉ＝Ｅ／Ｒの電流が流れる。一方、第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ’とＷ相のアーマチュアコイルＷ’とに電流値Ｉ’＝Ｅ／２Ｒの電流が流れる。

また、図６（ｂ）に示すように、５番セグメント１４ｅに存在する陽極側ブラシ５１ａ、１２−１番セグメント１４ｌ，１４ａ間に存在する陰極側ブラシ５１ｂ、および１１番セグメント１４ｋに存在する陽極側ブラシ５２ａの３つのブラシ５１ａ，５１ｂ，５２ａを通電させた場合にあっては、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵと、第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ’のみに電流が流れる。すなわち、第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷと第二回路Ｋ２のＷ相のアーマチュアコイルＷ’とがそれぞれ陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂによって短絡された状態となると共に、第一回路Ｋ１のＶ相のアーマチュアコイルＶと、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’とが無通電状態になる。
このため、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵと第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ’には、電流値Ｉ＝Ｅ／Ｒの電流が流れる。

したがって、３つのブラシ５１ａ，５１ｂ，５２ａを通電させた状態でのモータトルクをＴ３としたとき、モータトルクＴ３は次式のようになる。
Ｔ３＝（Ｐ／π）Ｚφ×（Ｅ／Ｒ）×２＝Ｔ４／２
つまり、３つのブラシ５１ａ，５１ｂ，５２ａを通電させた状態でのモータトルクＴ３は、４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた状態でのモータトルクＴ４の半分のトルクとなる。

図７（ａ）に示すように、５番セグメント１４ｅに存在する陽極側ブラシ５１ａ、および１番セグメント１４ａに存在している陰極側ブラシ５１ｂの２つのブラシ５１ａ，５２ａを通電させた場合にあっては、各アーマチュアコイルＵ〜Ｗ’に電流が流れる。すなわち、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵに電流値Ｉ＝Ｅ／Ｒの電流が流れる一方、第一回路Ｋ１のＶ相のアーマチュアコイルＶ、Ｗ相のアーマチュアコイルＷ、および第二回路Ｋ２の各相のアーマチュアコイルＵ’，Ｖ’，Ｗ’に電流値Ｉ’＝Ｅ／５Ｒの電流が流れる。

ここで、２つのブラシ５１ａ，５２ａを通電させた場合にあっては、４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電した場合とは異なり、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’に流れる電流が逆方向となる。つまり、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’に流れる電流は、本来流れる方向と逆方向に流れる。したがって、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’に生じるトルクは、第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷ、または第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ’の何れか一方のトルクと打ち消しあうことになる。

この結果、２つのブラシ５１ａ，５２ａを通電させた場合のモータトルクをＴ２とすると、モータトルクＴ２は次式のようになる。
Ｔ２＝（２／５）Ｔ４
つまり、モータトルクＴ２は４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた状態でのモータトルクＴ４の２／５のトルクとなる。

一方、図７（ｂ）に示すように、５番セグメント１４ｅに存在する陽極側ブラシ５１ａ、および１２−１番セグメント１４ｌ，１４ａ間に存在する陰極側ブラシ５１ｂの２つのブラシ５１ａ，５１ｂを通電させた場合にあっては、第一回路Ｋ１、および第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ，Ｕ’と、第一回路Ｋ１、および第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ，Ｖ’とに電流が流れる。すなわち、第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷと、第二回路Ｋ２のＷ相のアーマチュアコイルＷ’は、陰極側ブラシ５１ｂ，５２ｂによって短絡された状態となり、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵに電流値Ｉ＝Ｅ／Ｒの電流が流れる一方、第一回路Ｋ１のＶ相のアーマチュアコイルＶ、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’、およびＶ相のアーマチュアコイルＶ’に電流値Ｉ’＝Ｅ／３Ｒの電流が流れる。

この場合にあっても第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’に流れる電流は、本来流れる方向と逆方向に流れるので、第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’に生じるトルクは、第一回路Ｋ１のＶ相のアーマチュアコイルＶ、または第二回路Ｋ２のＶ相のアーマチュアコイルＶ’の何れか一方のトルクと打ち消しあうことになる。
この結果、モータトルクＴ２は次式のようになる。
Ｔ２＝（１／３）Ｔ４
つまり、モータトルクＴ２は４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた状態でのモータトルクＴ４の１／３のトルクとなる。

したがって、上述の第一実施形態によれば、８極１２スロット１２セグメントの３相に構成された電動モータ１のアーマチュア３に３相集中巻きの２つの回路Ｋ１，Ｋ２を形成することができる。
これに加え、第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷの巻き終わり端４０が第二回路Ｋ２のＵ相のアーマチュアコイルＵ’の巻き始め端３０に接続されていると共に、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵの巻き始め端３０が第二回路Ｋ２のＷ相の巻き終わり端４０に接続されている。さらに、同極側同士のブラシ２１が機械角で１８０°、異極側同士のブラシ２１が電気角で１８０°間隔に配置されている。

このため、１つの閉回路に並列回路数が２回路となり、アーマチュア３には３相集中巻き方式で巻線１２が巻装されていても並列回路数が４回路構成されることになる。つまり、４つのブラシ５１ａ〜５２ｂ全てを通電させた状態でのモータトルクＴ４に対して、３つのブラシ５１ａ，５１ｂ，５２ａを通電させた状態でのモータトルクＴ３をＴ４／２とすることができる。また、２つのブラシ５１ａ，５２ａを通電させた場合のモータトルクＴ２を（２／５）Ｔ４、または（１／３）Ｔ４とすることができる。
よって、巻線１２を集中巻き方式でアーマチュアコア６に巻装した場合であっても、４つのブラシ５１ａ〜５２ｂの通電パターンを変えることでトルクを変化させ、アーマチュア３の回転軸５の回転速度の切替えを行うことが可能になる。

また、各相のアーマチュアコイルＵ〜Ｗ’は、それぞれに対応する相の全てのティース９に直列に巻装されているので、ブラシ５１ａ〜５２ｂの通電パターンを変化させても通電される巻線１２のバランスが悪化することを防止できる。すなわち、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、例えば、３つのブラシ５１ａ，５１ｂ，５２ａを通電させることで、通電されるアーマチュアコイル７（Ｕ〜Ｗ’）がアンバランスになった場合であっても、通電している相と同相のティース９全てに同程度の磁界を発生させることができる。このため、通電される巻線１２によるアーマチュア３の振れ回りを低減することが可能になると共に、電磁気バランスの差異や抵抗差によって生じる循環電流を低減させることが可能になる。

なお、この第一実施形態では、例えば、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵは、この巻き始め端３０が第一セグメント群４１の１番セグメント１４ａに接続されると共に、巻き終わり端４０が５番セグメント１４ｅに接続され、これを相毎に対応するセグメント１４間で行うことで各相のアーマチュアコイル７（Ｕ〜Ｗ’）を形成する場合について説明した（図３、図４参照）。しかしながら、これに限られるものではなく、例えば、図８、図９に示すように、例えば、第一回路Ｋ１のＵ相のアーマチュアコイルＵにおいて、巻き始め端３０を１番セグメント１４ａと同電位の４番セグメント１４ｄに接続すると共に、巻き終わり端４０を５番セグメント１４ｅと同電位の２番セグメント１４ｂに接続し、これを相毎に対応するセグメント１４間で行うことで各相のアーマチュアコイル７（Ｕ〜Ｗ’）を形成してもよい。この場合であっても第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷの巻き終わり端４０を第二セグメント群４２の７番セグメント１４ｇに接続するようにする。

次に、この発明の第二実施形態を図１、図２を援用し、図１０〜図１２に基づいて説明する。なお、第一実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する。また、この第二実施形態において、電動モータ１は８極１２スロット１２セグメントの３相に構成されたものである点、コンミテータ１３に摺接する４つのブラシ５１ａ〜５２ｂは同極側同士が機械角で１８０°、異極側同士が電気角で１８０°間隔をあけて配置されている点等の基本的構成は前記第一実施形態と同様である。
ここで、第二実施形態では、各相のアーマチュアコイルＵ〜Ｗ’を形成するにあたり、巻線１２の巻き終わりとなるティース９が巻き始めとなるティース９から数えて２番目のティース９に設定されている。すなわち、巻線１２の巻き終わりとなるティース９が、巻き始めとなるティース９と同相であって、かつ巻き始めとなるティース９の近傍に存在するティース９に設定されている。

より具体的には、図１０、図１１に示すように、例えば、巻線１２の巻き始め端３０が第一セグメント群４１の１番セグメント１４ａより巻き始められた場合、まず、１番セグメント１４ａのライザ１５に掛け回された後、１番セグメント１４ａの近傍に存在する１番ティース９にｎ−ａ回（ａは１以上の自然数であって、かつｎよりも小さい数）巻回し、主コイル７１を形成する。続いて、１番ティース９と同相であって、かつ１番ティース９の近傍に存在する４番ティース９にｎ−ａ回巻回して主コイル７１を形成する。

そして、巻線１２を４−５番ティース９の間のスロット１１ｄから引き出して６−７番ティース９の間のスロット１１ｅに引き込む。次に、７番ティース９に巻線１２をｎ回巻回し、引き続き１０番ティース９にｎ回巻回する。その後、巻線１２は１０−１１番ティース９の間のスロット１１ｈから引き出され、再び１−１２番ティース９の間のスロット１１ａに引き込まれる。そして、１番ティース９、４番ティース９にそれぞれ巻線１２をａ回巻回し、副コイル７２，７２を形成する。

この後、巻線１２は４−５番ティース９の間のスロット１１ｄから引き出され、１番セグメント１４ａに隣接する２番セグメント１４ｂと同電位の５番セグメント１４ｅに巻き終わり端４０が接続される。これにより、Ｕ相の１番ティース９、および４番ティース９には、ｎ−ａ回巻回された主コイル７１とａ回巻回された副コイル７２とによって巻線１２がｎ回巻回されていることになる。したがって、１−２番セグメント１４ａ，１４ｂ間には各Ｕ相のティース９の全てに直列にｎ回巻装されたＵ相のアーマチュアコイルＵが形成される。

また、Ｖ相のアーマチュアコイルＶ、Ｗ相のアーマチュアコイルＷについてもそれぞれＵ相のアーマチュアコイルＵと同様に巻線１２を巻装し、この巻き始め端３０、および巻き終わり端４０を対応するセグメント１４間に接続する。これにより、第一セグメント群４１に８極１２スロットの３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）構造の第一回路Ｋ１が形成される（図１１参照）。
また、これと同様に、第二回路Ｋ２の各相のアーマチュアコイルＵ’，Ｖ’，Ｗ’も巻き始めのティース９と、巻き始めから２番目のティース９をｎ−ａ回巻きの主コイル７１とａ回巻きの副コイル７２とで構成する。そして、対応するセグメント１４間に各相のアーマチュアコイルＵ’，Ｖ’，Ｗ’の巻き始め端３０、および巻き終わり端４０を接続する。これにより、第二セグメント群４２に４極６スロットの３相（Ｕ’，Ｖ’，Ｗ’）構造の第二回路Ｋ２を形成する。

したがって、上述の第二実施形態によれば、前述した第一実施形態と同様の効果を奏することができる。これに加え、各相のアーマチュアコイルＵ〜Ｗ’を形成するにあたり、巻線１２の巻き終わりとなるティース９が巻き始めとなるティース９から数えて２番目のティース９に設定されているので、巻き始め端３０から巻き始めのティース９に至るまでの配線長さ、および巻き終わりのティース９から巻き終わり端４０に至るまでの配線長さを短く設定することができる。このため、アーマチュアコア６とコンミテータ１３との間の巻き太りを解消することができ、アーマチュア３の小型化を図ることが可能になる。

なお、この第二実施形態では、巻線１２の巻き終わりとなるティース９が巻き始めとなるティース９から数えて２番目のティース９に設定されている場合について説明した。すなわち、巻線１２の巻き終わりとなるティース９が巻き始め端３０が接続されているセグメント１４の近傍に存在するティース９と同相であって、かつこのティース９に隣接するティース９に設定されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、巻線１２の巻き終わりとなるティース９と、巻き始めとなるティース９を同じティース９に設定してもよい。
具体的には、図１２に示すように、例えば、Ｕ相のアーマチュアコイルＵとＶ相のアーマチュアコイルＶを形成するにあたり、１番ティース９と２番ティース９のみ、ｎ−ａ回巻回された主コイル７１とａ回巻回された副コイル７２とで構成してもよい。この場合、それぞれの巻き終わり端４０は、巻き終わりのティース９の近傍に存在する所定のセグメント１４に接続すればよい。

また、この第二実施形態におけるｎ−ａ回巻きの主コイル７１とａ回巻きの副コイル７２とを有する各相のアーマチュアコイルＵ〜Ｗ’を上述の第一実施形態における図９の巻線１２の巻装方法に適用することも可能である。すなわち、図９において、第一回路Ｋ１のＷ相のアーマチュアコイルＷのうち、６番ティース９に巻回される巻線１２をｎ−ａ回巻きの主コイル７１とａ回巻きの副コイル７２とで構成し、Ｗ相のアーマチュアコイルＷの巻き終わり端４０を６−７番ティース９の間のスロット１１ｅから引き出すようにしてもよい。これにより、巻き終わりのティース９から巻き終わり端４０に至るまでの配線長さを短く設定することができる。

本発明の実施形態における電動モータの縦断面図である。本発明の実施形態における電動モータのブラシ配置図である。本発明の第一実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。本発明の第一実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。本発明の実施形態における各アーマチュアコイルの通電状態を示す結線図である。本発明の実施形態における各アーマチュアコイルの通電状態を示す結線図である。本発明の実施形態における各アーマチュアコイルの通電状態を示す結線図である。本発明の第一実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。本発明の第一実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。本発明の第二実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。本発明の第二実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。本発明の第二実施形態におけるアーマチュアコイルの巻装状態を示すアーマチュアの展開図である。従来の電動モータにおけるアーマチュアへの通電パターンを示す説明図である。従来の電動モータにおけるアーマチュアへの通電パターンを示す説明図である。従来の電動モータにおけるアーマチュアへの通電パターンを示す説明図である。

符号の説明

１電動モータ
２ヨーク
３アーマチュア
４永久磁石（磁極）
５回転軸
６アーマチュアコア
７，Ｕ〜Ｗ’ アーマチュアコイル
９ティース
１１，１１ａ〜１１ｈスロット
１２巻線
１３コンミテータ
１４、１４ａ〜１４ｌセグメント
２１ブラシ
２５ａ，２５ｂ接続線（短絡部材）
３０巻き始め端
４０巻き終わり端
４１第一セグメント群
４２第二セグメント群
５１ａ，５２ａ陽極側ブラシ
５１ｂ，５２ｂ陰極側ブラシ
７１主コイル
７２副コイル
Ｋ１第一回路（一方の回路）
Ｋ２第二回路（他方の回路）

Claims

８極の磁極を有するヨークと、
前記ヨークに軸支される回転軸と、
前記回転軸に取り付けられ径方向に向かって放射状に延び、巻線が集中巻き方式にて巻装される１２個のティースと、該ティース間に形成され軸線方向に沿って延びる１２個のスロットとを有するアーマチュアコアと、
前記回転軸に前記アーマチュアコアと隣接して設けられ１２枚のセグメントを周方向に配置したコンミテータと、
前記セグメントを介して前記巻線に給電を行うための４つのブラシとを備え、
前記４つのブラシを陽極側ブラシと陰極側ブラシとの組みを２つ備えて構成し、
同極側同士のブラシを前記回転軸を中心にして対向配置すると共に、異極側同士のブラシを電気角で１８０度周方向に間隔をあけて配置している３相構造の電動モータであって、
前記セグメントを前記回転軸を中心にして互いに点対称位置に存在する２つのセグメント群で構成し、
各セグメント群の同電位となるセグメント同士を短絡部材で短絡し、
前記セグメント群毎に、同相同士のティース全てに直列に巻装された各相の巻線で構成される回路を形成し、
一方の回路の第３相の巻き終わり端と、他方の回路の第１相の巻き始め端とを接続すると共に、
一方の回路の第１相の巻き始め端と、他方の回路の第３相の巻き終わり端とを接続することを特徴とする電動モータ。
ｎを２以上の自然数、ａを１以上の自然数で、かつｎよりも小さい数としたとき、
前記各相の巻線は、この巻線に対応するティースで、かつ巻き始め端が接続されているセグメントの近傍に存在するティース、または、巻き始め端が接続されているセグメントの近傍に存在するティースと同相であって、かつこのティースに隣接する２つのティースのうちの何れか一方にｎ−ａ回巻回され、
これらのティースと同相であって、かつその他のティースにｎ回巻回した後、再度巻き始めのティース、または、巻き始めのティースに隣接する前記一方のティースにａ回巻回されていることを特徴とする請求項１に記載の電動モータ。