JP5300381B2 - 直流直巻モータおよびスタータ - Google Patents

Description

本発明は直流直巻モータに関し、特にエンジン始動用などに用いられる大きな始動トルクを必要とする直流直巻モータおよびスタータに関する。

エンジン始動装置用など、大きな始動トルクを必要とする用途のモータとしては、その始動トルクの大きさから直流直巻モータが採用される場合が多い。しかし直流直巻モータには直巻特性により低負荷時において回転数が上昇し過ぎるという問題がある。過度の回転数上昇は、回転子の遠心力増大やブラシ磨耗の増加を招き、モータ構成部品の安全性や寿命を低下させるため、問題となる。

低負荷時における回転数上昇を抑制してこの問題を解決するための従来技術としては、特許文献1に開示されているように、界磁極の一部を巻線から永久磁石に置き換える構成が考案されている。
特開平5-91705号公報

しかしながら、特許文献1に開示されているような、界磁極のうちいくつかを巻線から永久磁石に置き換える構成では、始動時に大電流で界磁して高磁束を発生するという直巻モータ相当の磁場を永久磁石で代替するために、大きな永久磁石が必要となる。そのためモータの材料コストが高くなってしまう。本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、低負荷時における回転数上昇を抑制でき、かつ低コストの直流直巻モータおよびスタータを得ることを目的とする。

本発明における直流直巻モータおよびスタータは、回転子と、継鉄と、上記継鉄の内側に、前記回転子の周方向に並べて配置された複数の磁極鉄心と、上記複数の磁極鉄心の各々に交互に逆向きに巻かれた界磁巻線と、上記界磁巻線間の少なくとも一箇所に配置される前記回転子の周方向に着磁された補助永久磁石とを備え、上記補助永久磁石は、上記界磁巻線の磁束を補う方向の回転方向に磁束を発生させ、上記補助永久磁石の両側に上記補助鉄心が設けられ、それら補助鉄心は上記継鉄と上記補助永久磁石との間を通る架橋部により互いに接続されているものである。

本発明によれば、巻線を巻回した界磁極により大きな磁場を得ると共に、回転数上昇を抑制するための磁場を永久磁石により補助的に得るので、永久磁石の使用量を抑制しつつ、回転数の上昇を抑制でき、低コストの直流直巻モータおよびスタータを得ることができる。

実施の形態１．
図１(a)はこの実施の形態における直流直巻モータの断面図、図１(b)は図１(a)中の補助永久磁石４の拡大図である。図中の矢印は補助永久磁石の着磁方向（Ｓ極からＮ極へ向かう方向）を示している。

図１に示した直流直巻モータは固定子１０と回転子１００から構成される。固定子１０は、筒状の継鉄１の内周面に、複数の磁極鉄心２がモータ周方向（回転子１００の周方向）に並べて配置され、上記複数の磁極鉄心２の各々には、Ｎ極とＳ極を交互に発生するように、界磁巻線３が交互に逆向きに巻かれている。さらに上記界磁巻線３間の一箇所に、モータ周方向に着磁された補助永久磁石４が配置され、その周方向両端に略当接するように補助鉄心６が設けられている。また、上記補助鉄心６と上記磁極鉄心２との間には非磁性ギャップとして空隙５を設けてある。
一方、回転子１００は電機子鉄心１０３に電機子巻線１０２を巻装した構成を有しており、図示しない軸受を介して回転自在に保持されている。界磁巻線３にはＤＣ電流が供給され、回転子１００の電機子巻線１０２には、回転子１００の回転位置によって定められる方向にＤＣ電流が流れてトルクを発生する。補助永久磁石４は電機子巻線１０２による磁束を強める方向に着磁されている。

図１では、複数の磁極鉄心２は全て同一形状を有し、等間隔に配置されている。磁極鉄心２は継鉄１と一体に形成され、あるいは継鉄１にカシメなどにより固定されている。ここでは４極モータの場合を示しており、図８に示す４つのコイルが、図１に示す４つの磁極鉄心２に対し、モータ周方向に順次に巻回されている。これら４つのコイルへの給電は回転子１００が回転するように制御される。

磁極鉄心２の回転子１００側の上面は回転子１００の外周に沿って湾曲した形状を有しており、当該上面部は界磁巻線３と回転子１００との間を伸延するフランジ部３１を有している。補助永久磁石４は隣接する磁極鉄心２間の中央付近に設けられ、それら隣接する磁極鉄心２間において、界磁巻線３の間から回転子１００側に突出している。

補助鉄心６は、当該突出部近傍（即ち、補助永久磁石４の回転子１００側の端部付近）から磁極鉄心２のフランジ部３１に向かって界磁巻線３と回転子１００の間を伸延すると共に、界磁巻線３と補助永久磁石４の間を継鉄１に向かって伸延する断面構造を有する。このような補助鉄心２は、板状の鉄板を断面が略Ｌ字状になるように折り曲げて作ることができ、あるいは厚みが異なる２枚の鉄板を断面が略Ｌ字状になるように接続して作ることができる。当該補助鉄心６は、継鉄１と回転子１００との間で補助永久磁石４を覆うように設けられ、例えば、図１では補助鉄心６の継鉄１側の端部は補助永久磁石４の継鉄１側の端部まで伸延し、補助鉄心６の回転子１００側の端部は補助永久磁石４の回転子１００側の端部まで伸延している。

補助鉄心６は、補助永久磁石４から発生する磁束の流れを制御するために設けられており、ここでは互いに隣接する二つの磁極鉄心２間において、なるべく広範囲に渡って当該磁束の流れを制御するために、補助永久磁石４のモータ周方向の幅を大きくしているが、例えば、補助鉄心６の幅をもっと小さくしてもよく、あるいは補助鉄心６自体を用いなくてもよい。ただし、補助鉄心６を用いる場合には、補助永久磁石４と補助鉄心６とを当接させた方が、補助鉄心６と補助永久磁石４を離間させる場合よりも、低負荷時における回転数上昇の抑制効果が大きいことを発明者は見出している。

次に図１に示した直流直巻モータの動作につき説明する。図２は図１に示した補助永久磁石４から発生する磁束の流れを示した図であり、図中の矢印は磁束の流れを示す。このように補助鉄心６は補助永久磁石４が発生する磁束の通り道となり、補助永久磁石４のＮ極から発生した磁束は補助鉄心６の形状に沿ってその内部を通る。磁束が非磁性ギャップ（ここでは空隙５）にぶつかると磁束の一部は回転子１００側へ曲がり、回転子１００の電機子巻線１０２に鎖交する。その後、反対側の非磁性ギャップ５を介して補助鉄心６を通り、補助永久磁石４のＳ極へ戻り、磁束の閉回路Ａを形成する。なお、磁束が補助永久磁石４や補助鉄心６から継鉄１側へ漏れることを防ぐために、継鉄１と補助永久磁石４及び／又は補助鉄心６とのあいだにも、非磁性ギャップ（図２では空隙１０１）を設けて磁気的に絶縁しておくことが望ましい。

次にこの実施の形態の効果につき説明する。図３は界磁巻線３間に、永久磁石を追加しない場合の界磁磁場のおおまかな分布を表した図である。図中の矢印は磁束の方向を示す。点線で囲んだ領域Ｂは磁束密度が小さい低磁場領域を示している。この図からもわかるように隣接する磁極鉄心２の間に存在する界磁巻線３間の空隙付近では磁束密度が小さい。一般に直流直巻モータ用固定子では、隣接する磁極鉄心２間で磁束が漏れることを避けるため、それら磁極鉄心２間に一定の間隔を空け、設計される。そのため、それら隣接する磁極鉄心２間の界磁巻線３間付近には上述のような低磁場領域が存在する。本発明では上述の低磁場領域の磁場を補うことで、低負荷時における回転数上昇を効率的に抑制できることを見出し、補助永久磁石４をそれら隣接する磁極鉄心２の間の界磁巻線３の間に設けている。これにより磁束が図２に示すような閉回路Ａから漏れにくく、補助永久磁石４から発生する磁束が無駄なく上述の閉回路Ａに沿って回転子の電機子巻線１０２に鎖交する。結果として効率的に低負荷時における回転数上昇を抑制することができる。

また、この実施の形態と比較するため、次のような構成の直流直巻モータを考える。すなわち、永久磁石を追加して回転数上昇を抑制するためには、例えば図４に示すように、磁極鉄心２の上面に、上記磁極鉄心２に巻かれた界磁巻線３の発生磁界と同一極性方向に着磁された補助永久磁石７を設けた構成を考える。図４(a)はこの直流直巻モータの断面図、図４(b)は図４(a)中の補助永久磁石７の拡大図である。図中の矢印は補助永久磁石７の着磁方向を示している。この構成でも巻線による界磁極が発生する磁束を永久磁石７が強めるため、低負荷時における回転数上昇の抑制効果がある。ただし、この構成では補助永久磁石７は既に磁場が飽和している領域に磁場を発生させようとすることになるため、磁束の漏れが多くなり効率が悪い。その点、上述のように隣接する磁極鉄心２間の界磁巻線３間付近を磁束の閉回路として利用する構成は効率がよく、有利である。
以上のように巻線３間付近を磁束の通り道として利用することで回転数上昇の抑制効率が高まり、使用する永久磁石が少量で済む。

なお、ここでは４極の直流モータ用固定子の場合を例にとり説明したが、極数を変えても同様の効果を得ることができる。また、ここでは複数ある界磁巻線３間のうち、一箇所にのみに補助永久磁石４を設ける場合を例示したが、二箇所以上、あるいは界磁巻線３間すべてに補助永久磁石４を設けることで低負荷時における回転数上昇抑制効果を更に大きくすることができる。また、ここでは隣接する磁極鉄心２間に設けられる２つの補助鉄心６の双方において、補助鉄心６と磁極鉄心２との間に非磁性ギャップ５を設けたが、どちらか一方のみに非磁性ギャップ５を設けてもよい。また、ここでは非磁性ギャップ５として空隙５を用いているが、樹脂などの他の非磁性体を用いてもよい。また、ここでは補助鉄心６の形状として断面が略L字状のものを用いたが、その他の形状としてもよい。また、ここでは、補助永久磁石４と磁極鉄心２との間に補助鉄心２を設けたが、補助鉄心２を設けず、補助永久磁石４と磁極鉄心２との間を非磁性ギャップ５のみとしてもよい。

また、隣接する界磁巻線３は互いに反対方向を向いた磁束を作り出す必要があるため、巻線を巻く方向が隣同士で互いに逆になっている。そのため、例えば図８に示す４コイル並列方式のように、巻線間の隙間として巻線が疎なところＣ１，Ｃ２と密なところＤ１，Ｄ２ができる場合がある。このような場合には、巻線が疎なところ（即ち、巻き数が少なく隙間が大きいところ）Ｃ１及び／又はＣ２に補助永久磁石４を配置し、密なところ（即ち、巻き数が多く隙間が小さいところ）Ｄ１及びＤ２に補助永久磁石４を配置しないようにすれば、補助永久磁石４の設置スペースを確保しつつ、直流直巻モータの大型化を避けることができる。あるいは、巻線が疎なところと密なところで配置する補助永久磁石４の大きさを異ならせてもよい。また、補助永久磁石４としてネオジウム磁石を用いることができ、ネオジウム磁石よりも安価なフェライト磁石を用いてもよい。

以上のように、この実施の形態においては、円筒状の継鉄１の内側に回転子１００の周方向に並べて配置された複数の磁極鉄心２を設け、複数の磁極鉄心２の各々に隣接する磁極鉄心２が互いに逆向きの磁極を発生するように界磁巻線３を巻回した直流直巻モータにおいて、隣接する二つの磁極鉄心２の各々に巻回された界磁巻線３の間に、回転子１００の周方向に着磁された補助永久磁石４を設けたので、少ない永久磁石の使用量で、回転子の回転数上昇を抑制することができる。

また、この実施の形態においては、それら隣接する二つの磁極鉄心２の少なくともいずれかと補助鉄心６との間に非磁性ギャップ5を設けたので、回転子の回転数上昇の抑制効果を更に高めることができる。

また、この実施の形態においては、継鉄１と補助永久磁石４及び／又は補助鉄心６との間に非磁性ギャップ１０１を設けたので、回転子の回転数上昇の抑制効果を更に高めることができる。

また、この実施の形態においては、補助永久磁石４と当該補助永久磁石４の両側に設けられた補助鉄心６とを当接するようにしたので、回転子の回転数上昇の抑制効果を更に高めることができる。

また、この実施の形態においては、界磁巻線３が疎な隙間に補助永久磁石４を配置し、密な隙間に設けないようにしたので、直流直巻モータの大型化を避けつつ、回転子の回転数上昇を抑制することができる。

実施の形態２．
図５は図１に示した補助鉄心６の斜視図である。図５において図１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図５に示す補助鉄心６は、図中の上方を継鉄１側、下方を回転子１００側として、補助永久磁石４を挟み込むようにして図１に示した直流直巻モータに組み込まれる。

図５に示す二つの補助鉄心６の各々は断面略L字状の形状を有し、それら補助鉄心６の間には、モータ外径側の端で部分的に架橋する架橋部８が設けられている。当該架橋部８は図１に示す直流直巻モータに組み込まれた状態において、補助永久磁石４と非磁性ギャップ１０１の間を貫通する。図５では架橋部８を一箇所のみに設けているが、複数箇所で架橋してもよい。

図５に示す二つの補助鉄心６と架橋部８との一体構造は、一枚の鉄板を金型などによりプレス加工（せん断、折り曲げ）することによって形成することが可能であり、当該架橋部８を図１の継鉄１に溶接などで固定することで、当該一組の補助鉄心６を継鉄１に容易に固定することが可能となる。

なお、これにより磁束が継鉄１側へ多少漏れるが、上記二つの補助鉄心６が架橋されるのは一部のみであり、それ以外の部分ではつながっていないので、漏れる磁束の量は最小限で済む。そのため、低負荷時における回転数上昇の抑制効果はほとんど変わらない。

以上のように、この実施の形態においては、補助永久磁石４の両側に当接する補助鉄心６は、架橋部８にて互いに架橋されるので、補助鉄心６の直流直巻モータへの組み込み作業が容易になる。また、二つの補助鉄心６と架橋部８を一体成形したので、当該部品部分に高い剛性を得ることができる。また、架橋部８を継鉄１に固定したので、補助鉄心６を継鉄１に容易に固定することができる。また、補助鉄心６の継鉄１側の全体ではなく、一部分のみを架橋したので、漏れる磁束量を少なくし、低負荷時における回転数上昇の抑制効果を減少させ難い。

実施の形態３．
図６(a)はこの実施の形態における直流モータ用モータ固定子の断面図、図６(b)は図６(a)中の永久磁石７の拡大図である。図６において、図１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。回転子は実施の形態１と同様の構成のため、ここでは図示を省略する。図中の矢印は補助永久磁石の着磁方向を示している。

この実施の形態における直流モータ用固定子は、継鉄１と、継鉄１の内側に、周方向に並べて配置された複数の磁極鉄心２と、複数の磁極鉄心２の各々に交互に逆向きに巻かれＮ極とＳ極を交互に発生する界磁巻線３とを備える点で実施の形態１と同様である。

一方、実施の形態１では、隣接する二つの磁極鉄心２の各々に巻回された二つの界磁巻線３の間に、回転子の周方向に着磁された補助永久磁石４を設けたが、この実施の形態では、磁極鉄心２の回転子側先端の回転子の周方向端部に、回転子の径方向に着磁された永久磁石７を設けている。

特に、図６(b)に示すように、互いに隣接する二つの磁極鉄心２の各々の互いに対向する位置に、互いに着磁方向が逆向きとなる永久磁石７ａ，７ｂが設けられている。このような構成によっても、界磁巻線３付近に実施の形態１と同様に、図２に示したような磁路を形成することができ、同様の効果を奏することができる。

なお、図６(a)では、隣接する磁極鉄心２に永久磁石７ａ，７ｂが設けられる例を示したが、その他の磁極鉄心２にも同様に永久磁石７ａ及び７ｂを設けてもよく、たとえば全ての磁極鉄心２の回転子側先端のモータ周方向両端に永久磁石７ａ及び７ｂを設けてもよい。

以上のように、この実施の形態においては、円筒状の継鉄１の内側に回転子の周方向に並べて配置された複数の磁極鉄心２を設け、複数の磁極鉄心２の各々にＮ極とＳ極の磁性が交互に異なって発生するように通電される界磁巻線３を巻回した直流直巻モータにおいて、当該複数の磁極鉄心２のうちの少なくとも一つの、回転子の径方向端の回転子の周方向端に、当該通電による発生磁界と同一極性方向に着磁された永久磁石を備えることにより、同様の効果を奏することができる。

実施の形態４．
図７(a)はこの実施の形態における直流モータ用モータ固定子の断面図、図７(b)は図７(a)中の永久磁石７の拡大図である。図７において、図１と同一又は相当部分には同一符号を付して説明を省略する。回転子の構成は実施の形態１と同様なので、ここでは図示を省略する。図中の矢印は永久磁石７の着磁方向を示している。

この実施の形態における直流モータ用固定子は、実施の形態１における永久磁石４に代えて、ハルバック配列永久磁石を用いる。ハルバック配列とは、永久磁石を磁化の向きを変えて並べた配列であり、強い磁界を発生させる事が可能である。ここでは、実施の形態１から補助鉄心６を取り除き、非磁性ギャップ５としての空隙５の代わりにモータ内径方向に着磁された永久磁石７を設けている。

このような構成としても実施の形態１で述べた磁束の閉回路と同様なものを形成することができ、さらに実施の形態１よりも漏れる磁束が少なく、より効率が高まる。

以上のように、この実施の形態においては、円筒状の継鉄１の内側に回転子の周方向に並べて配置された複数の磁極鉄心２を設け、複数の磁極鉄心２の各々に隣接する磁極鉄心２が互いに逆向きの磁極を発生するように界磁巻線３を巻回した直流直巻モータにおいて、隣接する二つの磁極鉄心２の各々に巻回された界磁巻線３の間に、ハルバック配列の永久磁石を設けたので、少ない永久磁石の使用量で、回転子の回転数上昇を抑制することができる。なお、図９に直流直巻モータを用いたスタータの外観を示す。モータ１のロータは減速機構となる遊星ギア２で減速されて、出力される。シャフト先端３のギアがエンジンと接続される。

この発明の実施の形態1における直流直巻モータの断面図および補助永久磁石の着磁方向を示した図である。 この発明の実施の形態1における磁束の流れを示した図である。 界磁巻線３間に、永久磁石を追加しない場合の界磁磁場のおおまかな分布を表した図である。 永久磁石が界磁極に設けられた構成のモータ固定子の断面図および補助永久磁石の着磁方向を示した図である。 この発明の実施の形態2における補助鉄心の斜視図である。 この発明の実施の形態3における直流モータ用モータ固定子の断面図および補助永久磁石の着磁方向を示した図である。 この発明の実施の形態4における直流モータ用モータ固定子の断面図補助永久磁石の着磁方向を示した図である。 補助鉄心に巻回される巻線の疎密を例示する図である。 この発明の直流直巻モータを用いるスタータを示した図である。

符号の説明

１ 継鉄 ２ 磁極鉄心 ３ 界磁巻線 ４ 補助永久磁石 ５ 空隙 ６ 補助鉄心 １０１ 空隙 １００ 回転子 １０２ 電機子巻線 ７ 永久磁石 ８ 架橋部

Claims (6)

1. 回転子と、継鉄と、上記継鉄の内側に上記回転子の回転方向に並べて配置された複数の磁極鉄心と、上記複数の磁極鉄心の各々に巻回された界磁巻線と、互いに隣接する二つの磁極鉄心の間に配置される上記回転子の回転方向に着磁される補助永久磁石とを備え、
   上記補助永久磁石は、上記界磁巻線の磁束を補う方向の回転方向に磁束を発生させ、
   上記補助永久磁石の両側に上記補助鉄心が設けられ、それら補助鉄心は上記継鉄と上記補助永久磁石との間を通る架橋部により互いに接続されている
   ことを特徴とする直流直巻モータ。
2. 上記補助永久磁石は、上記互いに隣接する二つの磁極鉄心にそれぞれ巻回された二つの界磁巻線の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の直流直巻モータ。
3. 上記補助永久磁石と上記隣接する二つの磁極鉄心のうちの少なくともいずれかとの間に非磁性ギャップを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流直巻モータ。
4. 上記補助永久磁石と上記隣接する二つの磁極鉄心のうちの少なくともいずれかとの間に補助鉄心を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の直流直巻モータ。
5. 回転子と、継鉄と、上記継鉄の内側に上記回転子の回転方向に並べて配置された複数の磁極鉄心と、上記複数の磁極鉄心の各々に巻回された界磁巻線と、互いに隣接する二つの磁極鉄心の間に設けられたハルバック配列の永久磁石とを備えたことを特徴とする直流直巻モータ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の直流直巻モータと減速機構とを備えたスタータ。

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