JP5275733B2

JP5275733B2 - 直流モータ

Info

Publication number: JP5275733B2
Application number: JP2008243223A
Authority: JP
Inventors: 啓太河合
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: JP2010075028A

Description

本発明は、低速駆動用ブラシ及び高速駆動用ブラシを有し、低速・高速駆動の切り替えをそのブラシの給電態様を択一的に切り替えることで行うように構成された直流モータに関するものである。

この種のモータとしては自動車のワイパモータがあり、例えば特許文献１及び２に示されるように、低速駆動用ブラシ及び高速駆動用ブラシとその共通ブラシとの３個の給電ブラシが備えられ、ワイパの払拭動作を低速とする時には低速駆動用ブラシにて、払拭動作を高速とする時には高速駆動用ブラシにてその給電態様が択一的に切り替えられる構成となっている。

各ブラシは、例えば特許文献１及び２のようにマグネットの磁極が２極の場合、低速駆動用ブラシと共通ブラシとが１８０°の間隔を有して対向配置されるのに対し、高速駆動用ブラシはその低速駆動用ブラシに対して所定角度ずらして配置されている。
特開２００２−２６２５３９号公報特開２００８−７９４５１号公報

ところで、低速駆動用ブラシ側で給電を行うモータの低速駆動時においては、給電を行っていない高速駆動用ブラシが隣り合うセグメントを短絡し、このセグメント間に接続された電機子コイルでは閉回路されて大きな電流変動が生じる。この場合、高速駆動用ブラシは低速駆動用ブラシに対して偏倚して配置されることから、相対する磁極で磁束密度分布が非対称となって磁気的にアンバランスとなり、これが電機子の回転を不安定とし、モータの振動や騒音の増大を引き起こす要因の一つとなっていた。

そのため、特許文献１では、高速駆動用ブラシの幅（周方向長さ）を低速駆動用ブラシ及び共通ブラシの幅よりも狭く構成して高速駆動用ブラシによる短絡時間を極力短くし、また特許文献２のように、整流子の通常のセグメント間に幅狭のダミーセグメントを配置して高速駆動用ブラシによる短絡を抑える等、ブラシや整流子（セグメント）に特別な仕様のものを用いて対応していた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ブラシや整流子に特別な仕様のものを用いないで高速駆動用ブラシの短絡による影響を小さく抑え、低振動・低騒音化を図ることができる直流モータを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電機子コイルと整流子とを有し、その電機子コイルを整流子の対応するセグメントに接続して構成された電機子と、低速駆動用ブラシ及び高速駆動用ブラシとその共通ブラシとを有し、その低速駆動用ブラシ及び共通ブラシの配置に対して高速駆動用ブラシを所定角度ずらした位置に配置し、各ブラシを前記整流子のセグメントに摺接させて直流電源の給電を行うブラシ装置と、を備え、前記低速駆動用ブラシと高速駆動用ブラシとが択一的に切り替えられて低速・高速駆動の切り替えが行われる構成の直流モータであって、前記整流子は、扇形状をなす同形状のセグメントが周方向に並んで配置され、ブラシ摺接面が平面として構成され、前記ブラシ装置は、前記低速駆動用ブラシと前記共通ブラシとが同一円周上で前記整流子のセグメントに摺接し、前記高速駆動用ブラシがその低速駆動用ブラシよりも外周側で前記整流子のセグメントに摺接するように構成されていることをその要旨とする。

この発明では、扇形状をなす同形状のセグメントが周方向に並んで配置されてブラシ摺接面が平面とされる一般的な構成の整流子に対し、低速駆動用ブラシと共通ブラシとが同一円周上で整流子のセグメントに摺接し、高速駆動用ブラシがその低速駆動用ブラシよりも外周側で整流子のセグメントに摺接するように構成される。つまり、整流子のセグメントが径方向内側から径方向外側に向かってそのセグメント幅（周方向長さ）が次第に広くなる扇形状をなしていることを利用し、幅狭の径方向内側に低速駆動用ブラシ及び共通ブラシを配置し、幅広の径方向外側に高速駆動用ブラシを配置することで、高速駆動用ブラシが他のブラシと同幅又は同形状のものを使用しつつも見かけ上で幅狭ブラシを用いる態様と同等となる。これにより、高速駆動用ブラシの短絡により電機子コイルで生じる電流変動が極力小さく抑えられることから、磁気バランスが良好となって電機子の回転が安定化し、モータの低振動・低騒音化に寄与できる。また、高速駆動用ブラシを幅狭とせず低速駆動用ブラシ（共通ブラシ）のように通常幅で形成できるため、高速駆動用ブラシの耐摩耗性を低速駆動用ブラシと同等にまで向上でき、製造も容易となる。また、高速駆動用ブラシを幅狭にする態様では、その最適調整に複数種類の幅狭ブラシを用意して試行錯誤を繰り返す必要がありその作業が煩雑であったが、本発明では高速駆動用ブラシの径方向位置のみの調整で済むため、最適調整が容易である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流モータにおいて、前記高速駆動用ブラシが前記低速駆動用ブラシよりも外周側で前記整流子のセグメントに摺接するように配置されることで、低速駆動時における前記高速駆動用ブラシが隣り合うセグメント間を短絡する時間は、その高速駆動用ブラシを前記低速駆動用ブラシと同一円周上で前記整流子のセグメントに摺接するように構成した場合のその仮想高速駆動用ブラシが隣り合うセグメント間を短絡する時間に比べて、短くなるように構成されていることをその要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の直流モータにおいて、前記低速駆動用ブラシ、高速駆動用ブラシ及び共通ブラシは、同一形状にて形成されていることをその要旨とする。

この発明では、低速駆動用ブラシ、高速駆動用ブラシ及び共通ブラシが同一形状にて形成されることから、１種類の給電ブラシを製造するだけで済み、モータの部品種類の低減に寄与できる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記低速駆動用ブラシと前記高速駆動用ブラシとは、径方向において重ならないように配置されていることをその要旨とする。

この発明では、低速駆動用ブラシと高速駆動用ブラシとは径方向において重ならないように配置されることから、例えば界磁極の極数が大きく高速駆動用ブラシのずらし角度が小さくなるような場合に、低速駆動用ブラシ（共通ブラシ）と高速駆動用ブラシとの干渉が生じ難い。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、前記低速駆動用ブラシと前記高速駆動用ブラシとは、径方向において一部が重ねられて配置されていることをその要旨とする。

この発明では、低速駆動用ブラシと高速駆動用ブラシとは径方向において一部が重ねられて配置されることから、整流子及びブラシ装置部分を径方向に小型に構成することが可能となり、モータの小型化に寄与できる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、車両用ワイパ装置に用いられるワイパモータであることをその要旨とする。
この発明では、上記請求項の直流モータは低振動・低騒音化が可能なため、常に静粛性も要求されるワイパモータに好適である。

本発明によれば、ブラシや整流子に特別な仕様のものを用いないで高速駆動用ブラシの短絡による影響を小さく抑え、低振動・低騒音化を図ることができる直流モータを提供することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、車両用ワイパ装置等に用いられる直流モータ１０の構成を示す。本実施形態の直流モータ１０は、図示しないヨークハウジングの内側面にマグネット１１が固着されて界磁極が２極として構成され、該マグネット１１の内側に電機子１２が回転可能に収容されて構成されている。

電機子１２は、等角度間隔に本実施形態では１２本のティース１３を有する電機子コアと、１２個の電機子コイル１４と、１２個のセグメント１６を有する整流子１５とを備えている。各電機子コイル１４は、それを構成する導線が５本のティース１３に跨って巻回されて隣のセグメント１６に接続され、ティース１本ずつずらすように１２個が順次巻回されて構成されている。整流子１５は、個々が扇形状をなす同形状の１２個のセグメント１６が周方向に等角度間隔に並んで配置（セグメント１６間のスリット幅は径方向に一定）され、ブラシ摺接面１５ａが平面として構成されるものでは一般的な構成のものである。

この整流子１５に対し、ブラシ装置２０は、低速駆動用ブラシ２１及び高速駆動用ブラシ２２とその共通ブラシ２３との３個の給電ブラシが整流子１５のセグメント１６に摺接するように配置されている。低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３は、ともに略直方体形状の同形状で構成され、平面をなすブラシ摺接面１５ａに直角に接触させている。低速駆動用ブラシ２１及び共通ブラシ２３は、整流子１５のブラシ摺接面１５ａの径方向内側寄りの同心円上において、１８０°の間隔（本実施形態では、電気的にも１８０°間隔）を有して対向配置されて各セグメント１６と接触（摺接）する。高速駆動用ブラシ２２は、整流子１５のブラシ摺接面１５ａの径方向外側寄りにおいて、周方向一方に低速駆動用ブラシ２１から約６０°ずらして配置されて各セグメント１６と接触（摺接）する。高速駆動用ブラシ２２と低速駆動用ブラシ２１とは、本実施形態では径方向において重ならないように同方向にずらして配置されている。

つまり、本実施形態では、整流子１５の各セグメント１６が径方向内側から径方向外側に向かってそのセグメント幅（周方向長さ）が次第に広くなる扇形状をなしていることを利用し、幅狭の径方向内側に低速駆動用ブラシ２１及び共通ブラシ２３を配置し、幅広の径方向外側に高速駆動用ブラシ２２を配置することで、高速駆動用ブラシ２２が他のブラシ２１，２３と同形状（同幅）のものを使用しつつも見かけ上で幅狭ブラシを用いる態様と同等となり、隣り合うセグメント１６間の電機子コイル１４を短絡する時間が短くされている。

そして、低速駆動用ブラシ２１及び高速駆動用ブラシ２２は、切替スイッチ２４を介して車載バッテリ等の直流電源２５のプラス側に接続され、共通ブラシ２３は、グランドを介して直流電源２５のマイナス側に接続される。この切替スイッチ２４の切り替えにより、モータ１０の低速駆動時には低速駆動用ブラシ２１と共通ブラシ２３とで給電が行われ、モータ１０の高速駆動時には高速駆動用ブラシ２２と共通ブラシ２３とで給電が行われてモータ１０の回転速度が変更され、ワイパの払拭動作速度等が変更されるようになっている。

また、低速駆動用ブラシ２１側で給電を行うモータ１０の低速駆動時においては、給電を行っていない高速駆動用ブラシ２２が隣り合うセグメント１６を短絡し、このセグメント１６間に接続された電機子コイル１４では、高速駆動用ブラシ２２による短絡時間が短くされていることから図２の実線にて示すようにその電流変動は小さく抑えられる。因みに、図２の破線は、高速駆動用ブラシ２２による短絡時間を低速駆動用ブラシ２１と同等としたもので、その電流変動は大きい。このように高速駆動用ブラシ２２の短絡により電機子コイル１４で生じる電流変動が極力小さく抑えられることから、磁気バランスが良好となって電機子１２の回転が安定化し、モータ１０の低振動・低騒音化が図られている。

次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、扇形状をなす同形状のセグメント１６が周方向に並んで配置されてブラシ摺接面が平面とされる一般的な構成の整流子１５に対し、低速駆動用ブラシ２１と共通ブラシ２３とが同一円周上で整流子１５のセグメント１６に摺接し、高速駆動用ブラシ２２がその低速駆動用ブラシ２１よりも外周側で整流子１５のセグメント１６に摺接するように構成されている。つまり、整流子１５のセグメント１６が径方向内側から径方向外側に向かってそのセグメント幅（周方向長さ）が次第に広くなる扇形状をなしていることを利用し、幅狭の径方向内側に低速駆動用ブラシ２１及び共通ブラシ２３を配置し、幅広の径方向外側に高速駆動用ブラシ２２を配置することで、高速駆動用ブラシ２２が他のブラシ２１，２３と同形状（同幅）のものを使用しつつも見かけ上で幅狭ブラシを用いる態様と同等となる。これにより、高速駆動用ブラシ２２の短絡により電機子コイル１４で生じる電流変動が極力小さく抑えられることから、磁気バランスが良好となって電機子１２の回転を安定化でき、モータ１０の低振動・低騒音化を図ることができる。そのため、常に静粛性も要求されるワイパモータに好適である。

また、高速駆動用ブラシ２２を幅狭とせず低速駆動用ブラシ２１（共通ブラシ２３）のように通常幅で形成できるため、高速駆動用ブラシ２２の耐摩耗性を低速駆動用ブラシ２１（共通ブラシ２３）と同等にまで向上でき、製造も容易となる。また、高速駆動用ブラシ２２を幅狭にする態様では、その最適調整に複数種類の幅狭ブラシを用意して試行錯誤を繰り返す必要がありその作業が煩雑であったが、本実施形態のようにすれば、高速駆動用ブラシ２２の径方向位置のみの調整で済むため、最適調整が容易である。

（２）本実施形態では、低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３を同一形状としたことから、１種類の給電ブラシを製造するだけで済み、モータ１０の部品種類の低減に寄与できる。

尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３を同一形状としたが、少なくとも同幅（通常幅）とし、ブラシ長さを異ならせてもよい。このようにしても、部品種類は増えるものの、幅狭でなく通常幅でブラシを形成できるため、耐摩耗性を良好とでき、製造も容易である。

・上記実施形態の直流モータ１０では、マグネット１１の磁極が２極、電機子コイル１４が１２個、ティース１３が１２本等で構成されているが、モータ１０の構成を適宜変更してもよい。

例えば、図３（ａ）（ｂ）に示すように、マグネット１１の磁極を４極で構成してもよい。この場合、電機子コイル１４は、それを構成する導線が３本のティース１３に跨って巻回されて隣のセグメント１６に接続され、ティース１本ずつずらすように１２個が順次巻回される。また、低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３はそれぞれ２個ずつ用いられ、低速駆動用ブラシ２１と共通ブラシ２３とが９０°間隔（電気的には１８０°間隔）で交互に配置され、高速駆動用ブラシ２２はそれぞれの低速駆動用ブラシ２１から周方向一方に約３０°（電気的には約６０°間隔）ずらして配置される。このような構成においても、各ブラシ２１〜２３を上記実施形態と同様の配置することで同様の作用効果を得ることができる。

また、図４（ａ）（ｂ）に示す形態は、同様にマグネット１１の磁極を４極で構成したものであり、整流子１５のセグメント１６を同電位同士で短絡（接続）する短絡部材１７が設けられ、低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３の数をそれぞれ１個ずつに減らした構成である。この構成においても、各ブラシ２１〜２３を上記実施形態と同様の配置することで同様の作用効果を得ることができる。

また、図５（ａ）（ｂ）に示すように、マグネット１１の磁極を６極で構成してもよい。この場合、電機子コイル１４は、それを構成する導線が２本のティース１３に跨って巻回されて隣のセグメント１６に接続され、ティース１本ずつずらすように１２個が順次巻回される。また、低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３はそれぞれ１個ずつ用いられ、低速駆動用ブラシ２１と共通ブラシ２３とが６０°間隔（電気的には１８０°間隔）に配置され、高速駆動用ブラシ２２は低速駆動用ブラシ２１から周方向一方に約２０°（電気的には約６０°間隔）ずらして配置される。また、この形態では、低速駆動用ブラシ２１、高速駆動用ブラシ２２及び共通ブラシ２３の数をそれぞれ１個ずつに減らすべく、整流子１５のセグメント１６を同電位同士で短絡（接続）する短絡部材１７が設けられる。この構成においても、各ブラシ２１〜２３を上記実施形態と同様の配置することで同様の作用効果を得ることができる。

また、同図５（ａ）（ｂ）のように高速駆動用ブラシ２２のずらし角度を小さくして構成するような場合、低速駆動用ブラシ２１と高速駆動用ブラシ２２とを径方向において重ならないように配置することで、ブラシ２１，２２自身はもとより、該ブラシ２１，２２にかかる周辺部材（図示略）等の干渉が防止される。

・上記実施形態では、高速駆動用ブラシ２２と低速駆動用ブラシ２１とが径方向において重ならないように同方向にずらして配置したが、例えば図６に示すように、高速駆動用ブラシ２２と低速駆動用ブラシ２１とを径方向において一部を重ねて、高速駆動用ブラシ２２を低速駆動用ブラシ２１よりも外周側に配置してもよい。このようにすれば、整流子１５及びブラシ装置２０部分を径方向に小型に構成することが可能となり、モータ１０の小型化に寄与できる。

・上記実施形態のモータ１０を、車両用ワイパ装置に用いられるワイパモータとして用いるだけでなく、他の装置の駆動源として用いてもよい。

本実施形態における直流モータの構成を説明するための図であり、（ａ）はそのモータの展開図、（ｂ）は整流子及びブラシ装置を示す平面図である。高速駆動用ブラシの短絡により電機子コイルで生じる電流変動を説明するための図である。別例における直流モータの構成を説明するための図であり、（ａ）はそのモータの展開図、（ｂ）は整流子及びブラシ装置を示す平面図である。別例における直流モータの構成を説明するための図であり、（ａ）はそのモータの展開図、（ｂ）は整流子及びブラシ装置を示す平面図である。別例における直流モータの構成を説明するための図であり、（ａ）はそのモータの展開図、（ｂ）は整流子及びブラシ装置を示す平面図である。別例の直流モータにおける整流子及びブラシ装置を示す平面図である。

符号の説明

１０…直流モータ、１２…電機子、１４…電機子コイル、１５…整流子、１５ａ…ブラシ摺接面、１６…セグメント、２０…ブラシ装置、２１…低速駆動用ブラシ、２２…高速駆動用ブラシ、２３…共通ブラシ、２５…直流電源。

Claims

電機子コイルと整流子とを有し、その電機子コイルを整流子の対応するセグメントに接続して構成された電機子と、
低速駆動用ブラシ及び高速駆動用ブラシとその共通ブラシとを有し、その低速駆動用ブラシ及び共通ブラシの配置に対して高速駆動用ブラシを所定角度ずらした位置に配置し、各ブラシを前記整流子のセグメントに摺接させて直流電源の給電を行うブラシ装置と、
を備え、前記低速駆動用ブラシと高速駆動用ブラシとが択一的に切り替えられて低速・高速駆動の切り替えが行われる構成の直流モータであって、
前記整流子は、扇形状をなす同形状のセグメントが周方向に並んで配置され、ブラシ摺接面が平面として構成され、
前記ブラシ装置は、前記低速駆動用ブラシと前記共通ブラシとが同一円周上で前記整流子のセグメントに摺接し、前記高速駆動用ブラシがその低速駆動用ブラシよりも外周側で前記整流子のセグメントに摺接するように構成されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１に記載の直流モータにおいて、
前記高速駆動用ブラシが前記低速駆動用ブラシよりも外周側で前記整流子のセグメントに摺接するように配置されることで、低速駆動時における前記高速駆動用ブラシが隣り合うセグメント間を短絡する時間は、その高速駆動用ブラシを前記低速駆動用ブラシと同一円周上で前記整流子のセグメントに摺接するように構成した場合のその仮想高速駆動用ブラシが隣り合うセグメント間を短絡する時間に比べて、短くなるように構成されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１又は２に記載の直流モータにおいて、
前記低速駆動用ブラシ、高速駆動用ブラシ及び共通ブラシは、同一形状にて形成されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、
前記低速駆動用ブラシと前記高速駆動用ブラシとは、径方向において重ならないように配置されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、
前記低速駆動用ブラシと前記高速駆動用ブラシとは、径方向において一部が重ねられて配置されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の直流モータにおいて、
車両用ワイパ装置に用いられるワイパモータであることを特徴とする直流モータ。