JP5535312B2 - 電気機械のためのブラシ配置 - Google Patents

Description

本発明は第１の個数の整流子片とブラシとを有する電気機械、とりわけ電動モータであって、整流子片が整流子片支持体の周上に均一に分布して配置されているものに関する。

DE 695 13 655 T2には、２つの速度のそれぞれに対して１つずつ、２つのワイパモータが記載されている。これら２つのモータの一方のモータは２つの極と３つのブラシを有しており、高速ブラシは共通のアースブラシに対して円周角にして例えば１２０°だけずらして配置されている。その際、円周角はモータの高い回転速度と低い回転速度との間の所望の比に依存して選択される。他方のモータは４つの極と６つのブラシを有しており、高速ブラシは対応するアースブラシに対して円周角にして例えば６０°だけずらして配置されている。ここでも、円周角はモータの高い回転速度と低い回転速度との間の所望の比に依存して選択される。このような従来式のモータの動作は、上流に接続されている電子デバイスに大きな電力損失を生じさせたり、搭載電源に電圧変動を生じさせたり、電磁妨害（ＥＭＣ問題）を生じさせる場合のあることが観察されている。このことはとりわけ波巻巻線を使用しブラシの数が極の数よりも小さい場合に当てはまる。

本発明の課題は上流に接続されている電子デバイスでの電力損失、搭載電源における電圧変動および電磁障害を低減することである。この課題は独立請求項に記載された特徴により解決される。本発明の有利な実施形態は従属請求項に示されている。

本発明は、上位概念に属する電気機械、とりわけ電動モータにおいて、１つの波巻巻線と電気機械の極数よりも少ない数のブラシとを使用した場合の電流リップルを低減するために整流時点をできるだけ均一に分布させることに基づいている。

この電気機械の１つの実施形態では、ブラシは第１ブラシ対を含んでいる。第１ブラシ対の第１ブラシの第１ラジアル軸と第１ブラシ対の第２ブラシの第２ラジアル軸との間に円周角α₁がある。この円周角α₁の絶対値ａｂｓ（α₁）の目標ブラシ間隔角α_soll＝（３６０°／２ｋ）（２・ｆｌｏｏｒ（Ｕ２・（ｋ／２ｐ））＋１）からの偏差は公差角α_Tを超えない程度である。ここで、Ｕ２は奇数の自然数であり、ａｂｓ（）は絶対値関数であり、ｆｌｏｏｒ（）は端数切捨て関数であり、α_Tは８°よりも小さな公差角であり、とりわけ４°よりも小さい、とりわけ２°よりも小さい、とりわけ１°よりも小さい。

電気機械の１つの実施形態では、ａｂｓ（ａｂｓ（α₁）−α_p・Ｕ２）＞α_Tである。ただし、α_pは電気機械の極ピッチ角である。

この電気機械の同様に有利な１つの実施形態では、第１円周角から電気機械の整流子片ピッチ角の半角と第１奇数自然数との第１の積を差し引いた第１の差の第１絶対値は公差角よりも小さい。ここで、第１奇数自然数は、電気機械の極ピッチ角を整流子片ピッチ角で割った商に第２奇数自然数を乗じた第３の積の端数を切り捨てた整数の２倍に１を足した数に等しい。第１円周角から電気機械の極ピッチ角に第２奇数自然数を乗じた第の２積を差し引いた第２の差の第２絶対値は公差角よりも大きい。ここで、公差角は８°よりも小さい、とりわけ４°よりも小さい、とりわけ２°よりも小さい、とりわけ１°よりも小さい。

有利な１つの実施形態では、第２奇数自然数の２分の１に相当する数を切り上げした整数は極数の４分の１に相当する数を切り上げした整数以下である。

有利な１つの実施形態では、第１の差は正または負である。

同様に有利な１つの実施形態では、第１の商の２倍は自然数ではない。

別の有利な実施形態では、極数は１１よりも小さい、とりわけ９よりも小さい、とりわけ７よりも小さい。

有利には、整流子片の個数は２７よりも少ない、とりわけ２５よりも少ない、とりわけ２３よりも少ない、とりわけ２１よりも少ない、とりわけ１９よりも少ない、とりわけ１７よりも少ない、とりわけ１５よりも少ない。

この電気機械において、第２奇数自然数は１０よりも小さい、とりわけ８よりも小さい、とりわけ６よりも小さい、とりわけ４よりも小さい、とりわけ２よりも小さいようにしてよい。

別の実施形態では、第１奇数自然数は５に等しく、第２奇数自然数は１に等しい、とりわけ第１の積は６４．３°または３４．６°に等しい。

さらに、電気機械のロータおよび／またはステータが波巻巻線、とりわけ一重波巻巻線を有していると有利である。

この電気機械はサーボモータまたはワイパモータとしてよい。

図１ａから１ｃには、本発明の第１実施例によるブラシ配置の概略図が示されている。 図２ａから２ｃには、本発明の第２実施例によるブラシ配置の概略図が示されている。 図３には、ロータ位置に依存して、不均一に分布した不所望の電流波形と均一に分布した所望の電流波形とが示されている。 図４ａから４ｃには、従来のブラシ配置と比較して、本発明によるブラシ配置の角度許容範囲の可能な３つの布置が示されている。

以下に、本発明を特に有利な実施形態に基づき添付図面と関連させながら説明する。

波巻巻線を使用すると、追加的な措置なしにブラシの個数を極数２ｐよりも小さく選ぶことができるが、それによって電気機械の特性曲線は少ししか変化しない。図１ａに示されている１４個の整流子片１０、１２、１４と２つのブラシ１６、１８を有する６極モータの交差する一重波巻巻線のためのブラシ配置では、第１ブラシ１６の第１ラジアル軸２０と第２ブラシ１８の第２ラジアル軸２２との間の第１円周角α₁は約６４．３°である。第１ブラシ１６が第３整流子片１４上で真ん中に位置する（図１ｂ参照）ようなロータ位置２６（図３参照）をロータ２４が占めている場合には、第２ブラシ１８は２つの整流子片１０、１２に関して対称な位置にある（図１ｃ参照）。以下では、「整流子片」の代わりに「バー」という名称も用いる。スペースを確保するために、多くの場合２つのブラシ１６、１８は互いに対してできるだけ小さな角度α₁で配置するのが適切である。

図２に示されている２６個の整流子片１０、１２、１４と２つのブラシ１６、１８を有する１０極モータの交差する一重波巻巻線のためのブラシ配置では、第１ブラシ１６の第１ラジアル軸２０と第２ブラシ１８の第２ラジアル軸２２との間の第１円周角α₁は約３４．６°である。第１ブラシ１６が第３整流子片１４上で真ん中に位置する（図４ｂ参照）ようなロータ位置２６（図３参照）をロータ２４が占めている場合には、第２ブラシ１８は２つの整流子片１０、１２に関して対称な位置にある（図４ｃ参照）。

表１には、図１および図２に示されている実施形態の特徴の一覧表が含まれている。列「Ｎｏ」には実施形態の番号が、列「ｋ」には整流子片の個数ｋが、列「２ｐ」には極数２ｐが、列「Ｕ２」には第２奇数自然数Ｕ２が、列「α_k／２」には整流子片ピッチ角α_kの半角が、列「Ｑ１」には第１の商Ｑ１が、列「Ｕ１」には第１奇数自然数Ｕ１が、列「α_soll」には目標ブラシ間隔角α_sollが示されている。

別の実施形態の、すなわち整流子片数ｋ、極数２ｐおよび第２奇数自然数Ｕ２の別の３つ組に対する、目標ブラシ間隔角α_sollは以下のようにして求められる。α_soll＝Ｕ１*α_k／２。ここで、Ｕ１：＝２［Ｕ２*Ｑ１］＋１＝１＋２*Ｐ３、Ｐ３：＝［Ｕ２*Ｑ１］。なお、角括弧はガウス記号（すなわち、切り捨て整数化関数）である。整流子片ピッチ角α_kの半角α_k／２は周角３６０°を整流子片数ｋの２倍２ｋで割ったものに等しい。商Ｑ１は電気機械の極ピッチ角α_p＝３６０°／２ｐを整流子片ピッチ角α_k＝３６０°／ｋで割ったものに等しく、整流子片数ｋを極数２ｐで割ったものにも等しい。第１奇数自然数Ｕ１は、奇数自然数Ｕ２に商Ｑ１を掛けた第３の積Ｐ３の端数を切り捨てた整数［Ｐ３］の２倍２［Ｐ３］に１を足したものに等しい。

以下では、本発明の電気機械が何故、直列接続された電子機器における損失、搭載電源における電圧変動および電磁妨害を低減するのかを説明する。図３には、ロータ位置２６に依存して電流波形３６が示されている。電流波形３６は従来の電気機械と同様に給電線において測定することができる。電流波形３６は周期的であるが、異なる高さの振幅３８，４０を有している。振幅３８、４０ととりわけその変動４１も電流リップルの大きさの目安である。電流リップルが大きければ大きいほど、直列接続された電子機器における損失、搭載電源における電圧変動および電磁妨害は大きくなる。従来の電気機械における大きな電流リップルは、整流位置４２ないし整流時点４２の不均一な分布５０が原因となって生じうる。これに対し、本発明の電気機械の電流波形４４では、振幅４６の変動４１は大きくない。つまり、従来の電気機械に比べて電流リップルが明らかに小さい。その技術的理由は、ブラシ１６、１８、２８、３０が整流子の整流子片ピッチに関して均一に分布５２しているからである。したがって、本発明によれば、電流リップルは従来の電気機械に比べて整流位置４８ないし整流時点４８を均一に（または少なくともより均一に）分布させることにより低減される。ブラシ対１６、１８のブラシ１６、１８の配置が電流リップルに関して最適であるのは、双方のブラシ１６、１８が互いに時間対称に交互に整流される場合である。この条件は、双方のブラシ１６、１８が整流子片の配置に関して幾何学的に対称に交互に配置されている場合に満たされる。これは、隣接する２つの整流子片１０、１２から成る対１０、１２が第２ブラシ１８のラジアル軸２２の下で中心に配置されており、第３整流子片１４が第１ブラシ１６のラジアル軸２０の下で中心に配置されているときである。本発明によるブラシ配置は、目標ブラシ間隔角α_sollに整流子片ピッチ角α_kの半角α_k／２の奇数自然数Ｕ１倍を割り当てるというアプローチに基づいている。それゆえ、目標ブラシ間隔角α_sollは整流子片ピッチ角α_kの半角α_k／２を加えたまたは差し引いた転流ステップ幅に等しい。

別の理由からこの寸法規則を正確にまたは近似的に満たす従来のブラシ配置が存在する。このような従来のブラシ配置は本発明によるブラシ配置の対象外である。よって、特許請求したブラシ配置はこのような従来のブラシ配置に対して新規である。表２には、本発明の第１および第２実施形態に相応する２つの従来式の実施形態の特徴の一覧が含まれている。ここで、列「Ｎｏ」には実施形態の番号が、列「２ｐ」には極数２ｐが、列「α_p」には極ピッチ角α_pが、列「Ｕ２」には第２奇数自然数Ｕ２が、列「α_konv」には従来の目標ブラシ間隔角α_konvが示されている。

別の適当な実施形態の場合の、すなわち極数２ｐと第２奇数自然数Ｕ２の別の２つ組の場合の従来の目標ブラシ間隔角α_konvは次のようにして計算される。α_konv＝Ｕ２*α_p。したがって、従来の目標ブラシ間隔角α_konvは電気機械の極ピッチ角α_pに第２奇数自然数Ｕ２を乗じた第の２積に等しい。従来のブラシ配置は１つの転流ステップ幅に極ピッチα_pの整数倍を割り当てるという考えに基づいている。

図４ａには、本発明によるブラシ配置の第１許容角度範囲５４が示されている。第１許容角度範囲５４は対応する従来のブラシ配置の第２許容角度範囲５６と重なっていない。この場合、第１許容角度範囲５４内のすべてのブラシ配置α₁₁、α₁₂、α₁₃は新しいブラシ配置α₁₁、α₁₂、α₁₃である。図４ｂには、従来のブラシ配置の第２許容角度範囲５６が示されている。第２許容角度範囲５６は第１許容角度範囲５４の一部と重なっているが、目標ブラシ間隔角α_sollとは重なっていない。この場合には、第１許容角度範囲５４内にあって且つ第２許容角度範囲５６外にあるブラシ配置α₁₁、α₁₂だけが新しいブラシ配置α₁₁、α₁₂である。図４ｃには、従来のブラシ配置の第２許容角度範囲５６が示されているが、第２許容角度範囲５６は第１許容角度範囲５４の一部と重なっており、しかも目標ブラシ間隔角α_sollとも重なっている。この場合も、第１許容角度範囲５４内にあって且つ第２許容角度範囲５６外にあるブラシ配置α₁₁だけが新しいブラシ配置α₁₁である。本発明によるブラシ配置では、第１円周角α₁から目標ブラシ間隔角α_sollを差し引いた第１の差Ｄ１の第１絶対値Ｂ１が公差角α_Tよりも小さい。また同時に、電気機械の極ピッチ角α_pに第２奇数自然数Ｕ２を乗じた第２の積α_konvを第１円周角α₁から差し引いた第２の差Ｄ２の第２絶対値Ｂ２は公差角α_Tよりも大きい。公差角α_Tは８°よりも小さい、とりわけ４°よりも小さい、とりわけ２°よりも小さい、とりわけ１°よりも小さくしてよい。

上記寸法規則により当業者は、例えば表計算プログラムを使用して、所定の公差角α_Tと、整流子片数ｋと、極数２ｐと、第２奇数自然数Ｕ２と、極ピッチ角α_pとに対してそれぞれ第１円周角α₁の許容角度範囲を示す表を計算することができる。経済的な理由から広範囲な一覧表を添付することを断念する場合には、以下のことに留意する。とりわけいわゆる「偶然の先取り」の場合、上記寸法規則によって計算可能なすべての許容角度範囲が全体として開示されていると見なされるだけでなく、そのようにして計算可能な個々の許容角度範囲も（少なくとも暗に）それ自体開示されているものと見なされるべきである。

電気機械における負荷は機械的であってよいが、駆動は電気的である（モータモード）。代替的または付加的に、電気機械が機械的に駆動され、電気機械の負荷が電気的であってもよい（発電機モード）。

Claims (12)

1. 第１の個数（ｋ）の整流子片（１０、１２、１４）と、ブラシ（１６、１８）とを有する電気機械であって、前記整流子片（１０、１２、１４）が整流子片支持体（２４）の周上に周方向に均一に分布して配置されている、電気機械において、
   前記ブラシ（１６、１８）は、１つの波巻巻線と前記電気機械の極数（２ｐ）よりも少ない数のブラシ（１６、１８）とを使用した場合の電流リップルを低減するために整流時点ができるだけ均一に分布するように、配置されており、
   前記ブラシ（１６、１８）は第１ブラシ対（１６、１８）を含んでおり、前記第１ブラシ対（１６、１８）の第１ブラシ（１６）の第１ラジアル軸（２０）と前記第１ブラシ対（１６、１８）の第２ブラシ（１８）の第２ラジアル軸（２２）との間に第１円周角α ₁ が形成されており、当該第１円周角α ₁ の絶対値ａｂｓ（α ₁ ）の、目標ブラシ間隔角α _soll ＝（３６０°／２ｋ）（２・ｆｌｏｏｒ（Ｕ２・（ｋ／２ｐ））＋１）からの偏差は公差角α _T を超えない、ただし、Ｕ２は奇数の自然数であり、ａｂｓ（）は絶対値関数であり、ｆｌｏｏｒ（）は端数切捨て関数であり、α _T は８°よりも小さな公差角であり、
   ａｂｓ（ａｂｓ（α ₁ ）−α _p ・Ｕ２）＞α _T 、ただしα _p は前記電気機械の極ピッチ角である、
   ことを特徴とする電気機械。
2. 前記第１円周角（α₁）から前記電気機械の整流子片ピッチ角（α_k）の半角（α_k/２）に第１奇数自然数（Ｕ１）を乗じた第１の積（α_soll）を差し引いた第１の差（Ｄ１）の第１絶対値（Ｂ１）は前記公差角（α_T）よりも小さく、前記第１奇数自然数（Ｕ１）は第２奇数自然数（Ｕ２）に前記電気機械の極ピッチ角（α_p）を前記整流子片ピッチ角（α_k）で割った商（Ｑ１）を乗じた第３の積（Ｐ３）の端数を切り捨てた整数（［Ｐ３］）の２倍（２［Ｐ３］）に１を足した数に等しく、前記第１円周角（α₁）から前記電気機械の極ピッチ角（α_p）に前記第２奇数自然数（Ｕ２）を乗じた第２の積（α_konv）を差し引いた第２の差（Ｄ２）の第２絶対値（Ｂ２）は前記公差角（α_T）よりも大きく、前記公差角（α_T）は８°よりも小さい、請求項１記載の電気機械。
3. 前記第２奇数自然数（Ｕ２）の２分の１に相当する数（Ｕ２／２）を切り上げした整数（［Ｕ２／２）＋（１／２）］）は、前記極数（２ｐ）の４分の１に相当する数（ｐ／２）を切り上げした整数（［（ｐ／２）＋（１／２）］）以下である、請求項２記載の電気機械。
4. 前記第１の差（Ｄ１）は正または負である、請求項２または３記載の電気機械。
5. 前記商（Ｑ１）の２倍（２Ｑ１）は自然数ではない、請求項２から４のいずれか１項記載の電気機械。
6. 前記第２奇数自然数（Ｕ２）は１０よりも小さい、請求項２から５のいずれか１項記載の電気機械。
7. 前記第１奇数自然数（Ｕ１）は５に等しく、前記第２奇数自然数（Ｕ２）は１に等しく、前記第１の積（α_soll）は６４．３°または３４．６°に等しい、請求項２から６のいずれか１項記載の電気機械。
8. 前記極数（２ｐ）は１１よりも小さい、請求項１から７のいずれか１項記載の電気機械。
9. 前記整流子片の第１の個数（ｋ）は２７よりも小さい、請求項１から８のいずれか１項記載の電気機械。
10. 前記電気機械のロータ（２４）および／またはステータは波巻巻線を有している、請求項１から９のいずれか１項記載の電気機械。
11. 前記電気機械は電動モータである、請求項１から１０のいずれか１項記載の電気機械。
12. 前記電動モータはサーボモータまたはワイパモータである、請求項１１記載の電気機械。

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