JP6490138B2 - 直流電動機 - Google Patents

Description

この発明は直流電動機に関するものであり、特に複数種類の界磁発生手段によって界磁発生部が構成された直流電動機に関するものである。

直流電動機の種類として、自励式の直巻電動機と、他励式の他励電動機とが知られている。前者の自励式の直巻電動機は、負荷電流に応じて界磁も変化するため、負荷が増えると界磁が大きく増加する一方で、負荷が小さい時は界磁が弱まり回転速度が大きく上昇するという特徴を有する。後者の他励電動機は、負荷電流に関係なく界磁磁束が一定である。このため、他励電動機のトルクは、負荷電流に比例し、回転速度の増加に伴い比例的に減少する特徴がある。

これらの特性を生かして、特許文献１では、直流電動機の界磁を永久磁石による磁石界磁と、界磁鉄心及び界磁巻線による巻線界磁とにより構成している。これら磁石界磁及び巻線界磁により、駆動時には大きなトルクを発生できる。また、界磁巻線への電流が遮断されても永久磁石による磁石界磁が常に発生されている。このため、電動機が停止する際には、電動機が発電機として機能することで、すなわち電動機の回転子の惰性回転と磁石界磁との相互作用により回転機に制動力が与えられることで、電動機の惰性回転時間を短縮できる。

また、特許文献２では、モータの界磁部に永久磁石と界磁コイルの両方を備えた構成にすることで、モータの高回転性と低温時の高トルク性とを両立したモータを開示している。

特開平５−９１７０５ 特許第５９５９５８３号

特許文献１または２に記載された電動機は、界磁コイル及び永久磁石により界磁部が構成されている。一般的に、界磁コイルは界磁鉄心及びヨークにより挟み込むことで保持され、永久磁石はホルダ等を用いて保持される。界磁鉄心は、ヨークに溶接又はカシメにより固定される。しかしながら、組み付け方法が異なれば生産工程も増えてしまい、生産コスト及び設備コストが増大してしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、生産コスト及び設備コストを抑えることができる直流電動機を提供することにある。

本発明に係る直流電動機は、アマチュアと、アマチュアの外側に配置された界磁発生部とを備え、界磁発生部は、円筒状のヨークと、ヨークの内周に組付けられた複数の永久磁石及び複数の界磁コイルユニットを有しており、界磁コイルユニットは、界磁鉄心及び界磁コイルが絶縁材料により一体成形されたものであり、永久磁石及び界磁コイルユニットは、当該永久磁石及び当該界磁コイルユニットの間にそれぞれ配置されるホルダによって、ヨークの内周に保持されており、１極の永久磁石の外周面がヨークの内周面の接する円弧領域の両端とヨークの中心とがなす角度が、１極の界磁コイルユニットの外周面がヨークの内周面に接する円弧領域の両端とヨークの中心とがなす角度と同じ角度にされている。

本発明の直流電動機によれば、界磁コイルユニットは、界磁鉄心及び界磁コイルが絶縁材料により一体成形されたものであるので、ヨークへの永久磁石及び界磁コイルユニットの組み付け方法を統一することができる。これにより、生産コスト及び設備コストを抑えることができる。

本発明の実施の形態１による直流電動機の断面概略図である。 本発明の実施の形態２による直流電動機の断面概略図である。 本発明の実施の形態３による直流電動機を含むスタータを示す回路図である。 図３のバッテリーの電圧（電源電圧）及びスタータ電流の時間変化を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による直流電動機１の断面概略図である。直流電動機１は、アマチュア２と、界磁を発生する界磁発生部３とを有している。アマチュア２は、図示しない電機子巻線、電機子鉄心及び整流子を含むものであり、界磁発生部３の内側に回転自在に配置されている。

界磁発生部３は、アマチュア２の外側に配置されており、ヨーク３０、複数の永久磁石３１、複数の界磁コイルユニット３２及び複数のホルダ３３を有している。

ヨーク３０は、磁気回路を形成するためのものであり、円筒状の磁性部材によって構成されている。ヨーク３０の内周には、永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２がヨーク３０の周方向に等間隔に配置されている。

各永久磁石３１は、円弧状の外形を有しており、ヨーク３０の内周面に接して配置されている。

各界磁コイルユニット３２は、界磁鉄心３２ａ及び界磁コイル３２ｂが絶縁材料３２ｃにより一体成形されたものであり、永久磁石３１と同様に円弧状の外形を有している。界磁鉄心３２ａは、断面Ｔ字状の外形を有する磁性部材である。界磁コイル３２ｂは、界磁鉄心３２ａに巻き付けられた巻線である。絶縁材料３２ｃは、樹脂などにより構成されるものであり、界磁鉄心３２ａ及び界磁コイル３２ｂを一体に固定している。

界磁コイルユニット３２は、その界磁コイルユニット３２としてヨーク３０に着脱可能なものである。換言すると、界磁コイルユニット３２はヨーク３０に組付けられる前に予め形成されるものであり、界磁コイルユニット３２の界磁鉄心３２ａはヨーク３０から直接延出されたものではない。一般に、ヨークから延出された磁極に巻線を巻き付けて界磁コイルを形成することが行われている。このような一般的な形成方法では、狭い空間で巻線を磁極に巻き付けるため、界磁コイルの外観寸法にばらつきが生じやすい。本実施の形態の界磁コイルユニット３２は、上述のような一般的は界磁コイルと比較して高い外観寸法精度を有している。

上述のように各界磁コイルユニット３２が界磁鉄心３２ａ及び界磁コイル３２ｂが絶縁材料３２ｃにより一体成形されたものであるため、ヨーク３０への永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の組み付け方法を統一することができる。ヨーク３０への永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の組み付け方法は任意であるが、本実施の形態ではホルダ３３により永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２がヨーク３０の内周で保持されている。ホルダ３３は、断面コ字状の部材であり、永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の間にそれぞれ配置されている。各ホルダ３３は、永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の間でヨーク３０の周方向に圧縮されており、永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２をヨーク３０の周方向に付勢している。永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２は、各ホルダ３３の付勢によりヨーク３０の内側で保持されている。

１極の永久磁石３１の外周面がヨークの３０内周面の接する円弧領域の両端とヨーク３０の中心Ｃとがなす角度α１が、１極の界磁コイルユニット３２の外周面がヨーク３０の内周面に接する円弧領域の両端とヨーク３０の中心Ｃとがなす角度α２と同じ角度にされていることが好ましい。換言すると、ヨーク３０の周方向における永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の延在幅が等しくされていることが好ましい。このように構成することで、永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の外観形状を合わせることができ、永久磁石３１、界磁コイルユニット３２及びホルダ３３のレイアウト及び組み付け方法をより確実に統一することができる。これにより、生産性の向上及び生産コストダウンをより期待することができる。界磁コイルユニット３２の組み付けについては永久磁石３１の組立設備があれば、新規設備を必要としないことからも設備コストを抑えることが出来る。直流電動機１の界磁発生部３が１種類の界磁手段で構成されている仕様から、界磁発生部３を複数種類の界磁手段で構成する仕様に変更を検討する場合、本実施の形態の直流電動機１であればレイアウトの変更する必要が無いので検討時間を短縮できる。

このような直流電動機１では、各界磁コイルユニット３２は、界磁鉄心３２ａ及び界磁コイル３２ｂが絶縁材料３２ｃにより一体成形されたものであるので、ヨーク３０への永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２の組み付け方法を統一することができる。これにより、生産コスト及び設備コストを抑えることができる。

また、１極の永久磁石３１の外周面がヨークの３０内周面の接する円弧領域の両端とヨーク３０の中心Ｃとがなす角度α１が、１極の界磁コイルユニット３２の外周面がヨーク３０の内周面に接する円弧領域の両端とヨーク３０の中心Ｃとがなす角度α２と同じ角度にされているので、永久磁石３１、界磁コイルユニット３２及びホルダ３３のレイアウト及び組み付け方法をより確実に統一することができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による直流電動機１の断面概略図である。図２に示すように、実施の形態２の構成は、実施の形態１の構成に補助磁極３４を追加したものである。

補助磁極３４は、断面矩形の磁性部材であり、界磁を発生する界磁コイルユニット３２及び永久磁石３１の増磁側に隣接して配置されている。このように補助磁極３４が配設されることで、高電流域での高トルク化及び低電流域での高回転化を達成でき、直巻特性に近い直流電動機１を得ることができる。

補助磁極３４は、ホルダ３３とともに永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２をヨーク３０の内周に保持する。また、補助磁極３４を位置決めに使用することができ、永久磁石３１及び界磁コイルユニット３２を補助磁極３４に押し当てながらホルダ３３で保持することができ、組み付け精度の向上と、組み付け効率の向上が期待できる。その他の構成は、実施の形態１と同じである。

このように、界磁発生部３に補助磁極３４を追加してもよい。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３による直流電動機１を含むスタータ４を示す回路図である。図３に示すスタータ４は、実施の形態１又は２の直流電動機１を含むものであり、図示しないエンジンを始動するためのものである。直流電動機１の機械的構成は図１又は図２に示す通りである。

図３に示すように、スタータ４は、直流電動機１に加えて、バッテリー５、始動スイッチ６、スタータスイッチ７及び短絡スイッチ８を含んでいる。バッテリー５は、直流電動機１に電力を供給する電源である。

始動スイッチ６は、後述のスタータスイッチ７の駆動コイル７１及び保持コイル７２の接続点とバッテリー５との間に接続されている。

スタータスイッチ７は、常開接点７０、駆動コイル７１及び保持コイル７２を有している。常開接点７０は、第１及び第２固定接点７０ａ，７０ｂと可動接点７０ｃとを有している。第１固定接点７０ａはバッテリー５に接続されており、第２固定接点７０ｂは短絡スイッチ８及び直流電動機１の界磁コイル３２ｂに接続されている。可動接点７０ｃは、駆動コイル７１及び保持コイル７２に電流が流されたときに第１及び第２固定接点７０ａ，７０ｂ間を接続する。駆動コイル７１及び保持コイル７２は、第２固定接点７０ｂとグランドとの間で直列に接続されている。

短絡スイッチ８は、常開接点８０及び駆動コイル８１を有している。常開接点８０は、第１及び第２固定接点８０ａ，８０ｂと可動接点８０ｃとを有している。第１固定接点８０ａはスタータスイッチ７の第２固定接点７０ｂに接続されており、第２固定接点８０ｂは直流電動機１のアマチュア２に接続されている。これら第１及び第２固定接点８０ａ，８０ｂには、直流電動機１の界磁コイル３２ｂが並列に接続されている。可動接点８０ｃは、駆動コイル８１の一端にかかる電圧が所定値になったときに第１及び第２固定接点８０ａ，８０ｂを接続する。駆動コイル８１は、第２固定接点７０ｂとグラウンドとの間に接続されている。

次に、図３のスタータ４の動作について説明する。
まず第１ステップとして、エンジン始動要求により始動スイッチ６が閉路され、バッテリー５から始動スイッチ６を経由してスタータスイッチ７の駆動コイル７１及び保持コイル７２に電流が供給される。また、このとき、直流電動機１のアマチュア２及び界磁コイル３２ｂにも電流が供給される。

第２ステップとして、駆動コイル７１及び保持コイル７２が通電されたことにより、スタータスイッチ７の常開接点７０が閉路される（可動接点７０ｃにより第１及び第２固定接点７０ａ，７０ｂ間が接続される）。ここで、保持コイル７２が始動スイッチ６を介してバッテリー５に接続されており、始動スイッチ６が閉路されているとき保持コイル７２が通電され続けられる。これにより、スタータスイッチ７の常開接点７０の閉路が維持される。

これにより、直流電動機１に回転トルクが発生し、噛合わされたピニオンギヤがエンジンのクランクシャフトに設けられたリングギヤ側へ移動を開始させる。スタータスイッチ７の常開接点７０が閉路されると、駆動コイル７１を流れる電流Ｉａがほぼ消滅し、バッテリー５からスタータスイッチ７を通して界磁コイル３２ｂ及びアマチュア２に電流Ｉｂが供給される。これにより直流電動機１の回転力をエンジンクランク軸へ伝え、エンジンの始動を開始させる。

第３ステップとして、所定の時間経過後、直流電動機１が回転を開始してから発生する逆起電圧の作用により、短絡スイッチ８の駆動コイル８１の一端にかかる電圧が直流電動機１の回転の上昇に伴い上昇し所定値になった時に短絡スイッチ８のプランジャが駆動されて、短絡スイッチ８の常開接点８０が閉路される（可動接点８０ｃにより第１及び第２固定接点８０ａ，８０ｂ間が接続される）。これにより、界磁コイル３２ｂが短絡されて、永久磁石３１のみが界磁を発生し続ける。逆起電圧の作用により、自動で短絡スイッチ８が作動するため、複雑な制御が不要になり、システムを簡素化できる。さらに、短絡スイッチ８の閉路する電圧値を最適に設定することにより、短絡のタイミング及び、短絡時の電圧低下を調整することが可能である。

図４は、図３のバッテリーの電圧（電源電圧）及びスタータ電流の時間変化を示すグラフである。上述の第２ステップ（Ｔ２）においてスタータスイッチ７が閉路した際に直流電動機１に流れる突入電流をＩ１とする。バッテリー５の電圧をＶ０とし、バッテリー５の内部固有抵抗をＲＢとし、界磁コイル３２ｂの抵抗値をＲＦとし、直流電動機１の内部抵抗をＲＭとし、各配線抵抗ＲＷとすると、突入電流Ｉ１は以下の式で表される。
Ｉ１＝Ｖ０／（ＲＢ＋ＲＷ＋ＲＦ＋ＲＭ） 式（１）

上述の第３ステップ（Ｔ３）では、バッテリー５の内部固有抵抗ＲＢ、直流電動機１の内部抵抗ＲＭ及び各配線抵抗ＲＷが存在する。なお第３ステップ以前に直流電動機１に電流が流れており、これにより直流電動機１が回転を開始することによる直流電動機１の逆起電圧Ｅが発生している。
このとき直流電動機１に流れる電流をＩ２とした場合、Ｉ２及びバッテリー５の電圧降下は、次式（２）で表わされる。
Ｉ２＝（Ｖ０−Ｅ）／（ＲＢ＋ＲＷ＋ＲＭ） 式（２）

逆起電圧Ｅは、モータ定数をｋとし、磁束量をΦとし、モータ回転速度をｎとすると、以下の式（３）で表される。
Ｅ＝ｋ×Φ×ｎ 式（３）
つまり、直流電動機１に流れる電流Ｉ２は仕様を変えることにより、調整することができる。

短絡スイッチ８の閉路する電圧値を高く設定すると、直流電動機１に発生する逆起電圧Ｅが高くなるまで、短絡しない。つまり、逆起電圧Ｅが高くなるので、式（２）よりＩ１＞Ｉ２の関係となり、式（３）より、直流電動機１の回転速度のより高い所で、短絡スイッチ８をオンすることになるため、短絡までの時間が長くなってしまい、（Ｔ２からＴ３までの時間）エンジン始動に時間がかかってしまう。

そこで、図４のように、Ｉ１とＩ２が同等になるように短絡スイッチ８の閉路する電圧値を設定することで、短絡スイッチ８が閉路する時間が短くなり、瞬断を抑制し、かつ短時間でエンジン始動が可能になる。

このような実施の形態の構成によれば、第１ステップでは、回路上にスタータスイッチ７の駆動コイル７１、界磁コイル３２ｂ及び各配線抵抗が存在し、第２ステップでは、界磁コイル３２ｂ及び各配線抵抗が存在し、第３ステップでは各配線抵抗が存在することになる。すなわち、３段階で電気抵抗が減少していくこととなる。さらに、第３ステップ以前に電流及び電流Ｉｂにより直流電動機１が回転を開始することによりスタータの逆起電圧が増加し電流が抑制される。界磁コイル３２ｂを抵抗体として使用する為、別途抵抗体を設定する必要が無くなり、構造が簡素化、体格を小さくすることができる。また、短絡により界磁コイル３２ｂに流れる電流を減らし、界磁磁束を減らすことができ、トルク型から回転型に切り替わり、短時間でエンジンを始動することができる。それにより、スタータの動作時間が短縮され、静粛性が向上する。さらに界磁コイル３２ｂによる銅損が少なくなるので効率が向上する。

このように、実施の形態におけるスタータ４では、スタータ始動時、まず、電源と直流電動機１との間に設置された界磁コイル３２ｂに通電し、所定の時間経過後、短絡スイッチ８により界磁コイル３２ｂに流れる電流を減少させることにより、初期突入電流を低減させ、電圧低下を抑制し、車載の電気機器に瞬断を与えない、効率良くエンジン始動を可能とするといった効果がある。また逆起電圧により、自動で短絡スイッチ８が作動する為、直流電動機１の回転検出センサ、タイマ回路等、複雑な制御が不要になり、システムが簡素化できる。

また、永久磁石３１と界磁コイル３２ｂの両方を備えることで、界磁コイル３２ｂに通電することで界磁の強さが増大しモータトルクが高くなるので、例えば、低温時など、エンジンのフリクショントルクが大きい場合でも確実に始動することができる。

１ 直流電動機、２ アマチュア、３ 界磁発生部、３０ ヨーク、３１ 永久磁石、３２ 界磁コイルユニット、３２ａ 界磁鉄心、３２ｂ 界磁コイル、３２ｃ 絶縁材料。

Claims (1)

1. アマチュアと、
   前記アマチュアの外側に配置された界磁発生部と
   を備え、
   前記界磁発生部は、円筒状のヨークと、前記ヨークの内周に組付けられた複数の永久磁石及び複数の界磁コイルユニットを有しており、
   前記界磁コイルユニットは、界磁鉄心及び界磁コイルが絶縁材料により一体成形されたものであり、
   前記永久磁石及び前記界磁コイルユニットは、該永久磁石及び該界磁コイルユニットの間にそれぞれ配置されるホルダによって、前記ヨークの内周に保持されており、
   １極の前記永久磁石の外周面が前記ヨークの内周面の接する円弧領域の両端と前記ヨークの中心とがなす角度が、１極の前記界磁コイルユニットの外周面が前記ヨークの内周面に接する円弧領域の両端と前記ヨークの中心とがなす角度と同じ角度にされている、直流電動機。

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