JP6843365B1 - スリップリング及び電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転による摩耗を極力低減したスリップリング及びそのスリップリングを備えた電動機を提供する。【解決手段】このスリップリング６０ａ、６０ｂ及び電動機８０ａ、８０ｂは、摺動部である差動回転部７４ａ、７４ｂを回転体４０の約１／２の回転数で回転させる。これにより、摺動部分の実質的な回転速度が低下し、摺動部の摩耗の低減を図ることができる。また、このスリップリング６０ａ、６０ｂ及び電動機８０ａ、８０ｂは、摺動導電体７６ａ、７６ｂの間隙に摺動導電体７６ａ、７６ｂよりも柔らかい摺動絶縁部７８を位置させる。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂへの押圧力は摺動絶縁部７８側が受けて、摺動導電体７６ａ、７６ｂに掛かる押圧力を低減することができる。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂ、回転体電極６２、固定電極６４の摩耗をさらに低減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、回転による摩耗を極力低減したスリップリング及びそのスリップリングを備えた電動機に関するものである。

近年、二酸化炭素の排出量削減の観点から内燃機関と電動機を併用するハイブリッド車や電気自動車の普及が顕著である。このようなハイブリッド車や電気自動車は電力により車輪を回転する大出力の電動機（モータ）を駆動源として有している。このため、これら電動機に対しては更なる高効率、高出力が要求されている。ここで、本願発明者らは電動機のステータを回転させ、このステータの回転力をロータの回転に用いることで高出力が可能な下記［特許文献１］に記載の発明を行った。

国際公開第２０２０／０７５３３４号パンフレット

しかしながら、［特許文献１］に記載の電動機はステータも回転する。よって、回転するステータのコイルに駆動電流を流すためには、回転体に対し電気的な接続を維持するスリップリングの使用が必要となる。ただし、特に自動車用の電動機では回転体の回転数も高くなるため、スリップリングの摺動部の摩耗が大きいという問題点がある。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、回転による摩耗を極力低減したスリップリング及びそのスリップリングを備えた電動機の提供を目的とする。

本発明は、
（１）回転体４０側に設けられた回転体電極６２と、固定体１２側に設けられた固定電極６４と、前記回転体４０を回転可能に保持するベアリング７０と、前記ベアリング７０を構成し前記回転体４０の回転に伴って自公転する転動体７０６と、前記転動体７０６の公転運動を伝達する伝達部材７２と、前記伝達部材７２と接続し前記転動体７０６の公転運動により回転する差動回転部７４ａ、７４ｂと、前記差動回転部７４ａ、７４ｂに設けられ一方の面に前記回転体電極６２が当接し他方の面に前記固定電極６４が当接する摺動導電体７６ａ、７６ｂと、前記回転体電極６２もしくは前記固定電極６４を前記差動回転部７４ａ、７４ｂの側に所定の力で押圧する弾性部材６６と、を有することを特徴とするスリップリング６０ａ、６０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（２）摺動導電体７６ａ、７６ｂの間に摺動絶縁部７８が位置し、前記摺動絶縁部７８が弾塑性変形の弾性領域で変形して前記摺動導電体７６ａ、７６ｂへの押圧力を低減し、前記摺動導電体７６ａ、７６ｂと前記回転体電極６２と前記固定電極６４とを押圧力が極めて小さい臨界接触状態で接触導通させることを特徴とする上記（１）記載のスリップリング６０ａ、６０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（３）差動回転部７４ａがディスク状を呈し、摺動導電体７６ａは端面が円弧状であり前記差動回転部７４ａと同心の円状に配置され、さらに前記摺動導電体７６ａの両端面が前記差動回転部７４ａの両平面にそれぞれ面一で露出し、
回転体電極６２と固定電極６４とが前記差動回転部７４ａと同心で前記摺動導電体７６ａと略同一の半径を有するリング状を呈することを特徴とする上記（２）に記載のスリップリング６０ａを提供することにより、上記課題を解決する。
（４）摺動導電体７６ａが導電性を有する炭素板で構成され、回転体電極６２と固定電極６４の前記摺動導電体７６ａとの接触面に貴金属薄膜を有することを特徴とする上記（３）記載のスリップリング６０ａを提供することにより、上記課題を解決する。
（５）差動回転部７４ｂが円筒形状を呈するとともに、摺動導電体７６ｂが前記差動回転部７４ｂと同一の曲率のアーチ形状を呈して前記差動回転部７４ｂを周方向に１周するように配置され、さらに前記摺動導電体７６ｂの内周面と外周面とが前記差動回転部７４ｂの内周面と外周面とに面一で露出し、回転体電極６２は外周面が前記摺動導電体７６ｂの内周面と略同一の曲率を有するアーチ状を呈し、固定電極６４は内周面が前記摺動導電体７６ｂの外周面と略同一の曲率を有するアーチ状を呈し、前記回転体電極６２の外周面が前記摺動導電体７６ｂの内周面と接触し、前記固定電極６４の内周面が前記摺動導電体７６ｂの外周面と接触して導通することを特徴とする上記（２）に記載のスリップリング６０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（６）摺動導電体７６ｂが導電性を有する炭素板で構成され、回転体電極６２の外周面と固定電極６４の内周面とに貴金属薄膜を有することを特徴とする上記（５）記載のスリップリング６０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。
（７）被駆動体Ｍに回転力を伝達する出力軸１０と、前記出力軸１０に固定したロータ３０と、前記ロータ３０の外側に位置するステータ４０と、前記出力軸１０と前記ステータ４０とを回転可能に軸支する固定軸受部１２と、前記ステータ４０に設けられ駆動電流が流れることで前記ロータ３０を回転させる複数のコイル４２と、前記ステータ４０を前記ロータ３０と同一の方向に回転可能に保持するステータ回転機構４６と、を有し、
前記ロータ３０の回転が減速する際に前記ロータ３０の回転力を前記ステータ４０の回転に変換し、前記ステータ４０を回転させた状態で前記駆動電流を流すことで、前記駆動電流による回転力に前記ステータ４０の回転力を加えて前記ロータ３０を回転させる電動機において、
回転体（４０）としての前記ステータ４０と固定体（１２）としての前記固定軸受部１２との間に設けられ、前記固定軸受部１２側からの駆動電流を前記コイル４２に供給する上記（１）乃至上記（６）のいずれかに記載のスリップリング６０ａ、６０ｂをさらに有することを特徴とする電動機８０ａ、８０ｂを提供することにより、上記課題を解決する。

本発明に係るスリップリング及び電動機は、摺動部である差動回転部を回転体の約１／２の回転数で回転させる。これにより、摺動部分の回転速度が低下し、摺動部の摩耗の低減を図ることができる。また、本発明に係るスリップリング及び電動機は、摺動導電体の間に摺動導電体よりも柔らかい摺動絶縁部を位置させる。これにより、摺動導電体への押圧力は摺動絶縁部側が受けて、摺動導電体に掛かる押圧力が低減することができる。これにより、摺動導電体、回転体電極、固定電極の摩耗をさらに低減することができる。

本発明に係る第１の形態のスリップリングの模式的な断面図である。 本発明に係る第１の形態のスリップリングの摺動部の分解図である。 本発明に係る第２の形態のスリップリングの模式的な断面図である。 本発明に係る第２の形態のスリップリングの模式的なＸ−Ｘ断面図である。 本発明に係る第２の形態のスリップリングの摺動部の分解斜視図である。 一般的なベアリングの構成を説明する図である。 本発明に係る第１の形態の電動機の模式的な断面図である。 本発明に係る第２の形態の電動機の模式的な断面図である。 本発明に係る電動機のＮ−Ｔ線図及び回転速度の変化を模式的に示した図である。

本発明に係るスリップリング及びこのスリップリングを備えた電動機の実施の形態について図面に基づいて説明する。ここで、図１は本発明に係る第１の形態のスリップリング６０ａの模式的な断面図である。また、図２は第１の形態のスリップリング６０ａの摺動部分の分解図であり、図２（ａ）は回転体電極６２側を示す図であり、図２（ｂ）は差動回転部７４ａを示す図であり、図２（ｃ）は固定電極６４側を示す図である。また、図３は本発明に係る第２の形態のスリップリング６０ｂの横方向の模式的な断面図であり、図４は図３における模式的なＸ−Ｘ断面図である。また、図５は第２の形態のスリップリング６０ｂの摺動部分の模式的な分解斜視図である。尚、スリップリング６０ａ、６０ｂの回転体電極６２、固定電極６４に対する配線に関しては図１、図３にのみ図示し、他の図では省略する。また、ここでは回転体電極６２、固定電極６４、摺動導電体７６ａ、７６ｂがそれぞれ３組ずつ設けられた３極のスリップリング６０ａ、６０ｂを例に説明を行うが、スリップリング６０ａ、６０ｂの極数には特に限定は無く何極としても良い。

先ず、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂに共通する構成を説明する。図１〜図４に示す本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂは、回転体４０側に設けられた回転体電極６２と、固定体１２側に設けられた固定電極６４と、回転体４０を回転可能に保持するベアリング７０と、このベアリング７０を構成し回転体４０の回転に伴って自公転する転動体７０６と、この転動体７０６の公転運動を伝達する伝達部材７２と、この伝達部材７２と接続し転動体７０６の公転運動により回転する差動回転部７４ａ、７４ｂと、この差動回転部７４に設けられ一方の面に回転体電極６２が当接し他方の面に固定電極６４が当接する摺動導電体７６ａ、７６ｂと、回転体電極６２もしくは固定電極６４を差動回転部７４ａ、７４ｂの側に所定の力で押圧する弾性部材６６と、を有している。尚、弾性部材６６は回転体４０側に設け回転体電極６２を押圧するようにしても良いが、安定性の観点から固定体１２側に設けて固定電極６４を押圧することが好ましい。また、回転体電極６２、固定電極６４の双方に弾性部材６６を設け、両側から摺動導電体７６ａ、７６ｂを押圧するようにしても良い。

次に、スリップリング６０ａ、６０ｂのベアリング７０と伝達部材７２に関して説明を行う。先ず、一般的なベアリング７０は図６に示すように、内輪７０２と外輪７０４とを有しており、この内輪７０２と外輪７０４の間に複数の転動体７０６が回転可能に挿入している。また、一般的なベアリング７０は転動体７０６同士が接触しないように一定の間隔に保つ保持器７０８（リテーナ）を有する。ここで、例えば内輪７０２が回転すると、転動体７０６は自転すると同時にベアリング７０の軸心を中心に公転運動する。そして、この転動体７０６の公転運動により保持器７０８はベアリング７０の軸心を中心に回転する。本願発明の伝達部材７２は例えばこの保持器７０８と差動回転部７４ａ、７４ｂとを繋ぎ、転動体７０６の公転運動により差動回転部７４ａ、７４ｂを回転させる。尚、一般的なベアリング７０では、転動体７０６の公転運動の回転数（保持器７０８の回転数）は、回転側の回転数の約１／２となる。即ち、本願発明のスリップリング６０ａ、６０ｂでは差動回転部７４ａ、７４ｂの回転数は回転体４０の回転数の約１／２となる。

ここで、従来のスリップリングは摺動部が回転体４０の回転数で回転するため、回転体４０の回転数が大きい（回転速度が速い）とその分、摺動部の摩耗も進行する。この点、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂは、摺動部である差動回転部７４ａ、７４ｂの回転数が回転体４０の約１／２となる。このため、従来のスリップリングよりも摺動部の摩耗を低減することができる。

次に、差動回転部７４ａ、７４ｂに関して説明を行う。先ず、第１の形態のスリップリング６０ａの差動回転部７４ａは、図２（ｂ）に示すようにディスク状を呈している。尚、回転体４０の回転軸がスリップリング６０ａを通して外側に貫ける場合には、差動回転部７４ａの中心に回転軸よりも径の大きな貫通孔１０２を設けても良い。また、差動回転部７４ａの摺動導電体７６ａは、両端面が円弧状で厚みが差動回転部７４ａの厚みと同じ円弧柱形状を呈し、差動回転部７４ａと同心の円状に設置される。そして、１つの同心円を形成する複数（本例では４つ）の摺動導電体７６ａが１極の摺動電極を形成する。尚、摺動導電体７６ａの固定方法としては、差動回転部７４ａに摺動導電体７６ａと同形の電極孔を穿孔し、この電極孔に摺動導電体７６ａを嵌入して設置することが好ましい。このとき、摺動導電体７６ａは差動回転部７４ａと同一の厚みを有するから、摺動導電体７６ａの両端面は差動回転部７４ａの両平面に段差なく面一で露出する。

また、第２の形態のスリップリング６０ｂの差動回転部７４ｂは、図５に示すように円筒形状を呈している。そして、差動回転部７４ｂに設けられる摺動導電体７６ｂは、差動回転部７４ｂと同一の曲率のアーチ形状を呈するとともに差動回転部７４ｂと同一の厚みを有し、差動回転部７４ｂを周方向に１周するように設置される。そして、周方向に１周した複数（本例では４つ）の摺動導電体７６ｂが１極の摺動電極を形成する。尚、摺動導電体７６ｂの固定方法としては、差動回転部７４ｂに摺動導電体７６ｂと同形で内周面から外周面に貫通した電極孔を周方向に１周するように穿孔し、この電極孔に摺動導電体７６ｂを嵌入して設置することが好ましい。これにより、摺動導電体７６ｂの内周面と外周面とは差動回転部７４ｂの内周面と外周面とに段差なく面一で露出する。

尚、ここでは４つの摺動導電体７６ａ、７６ｂで１極の摺動電極を構成する例を示しているが、この摺動導電体７６ａ、７６ｂの個数に関しては特に限定は無く、２個、３個、６個等、如何なる個数としても良い。そして、これら複数の摺動導電体７６ａ、７６ｂの間で且つ回転体電極６２、固定電極６４の軌道上に位置する部位が摺動絶縁部７８となる。尚、図２（ｂ）、図５では摺動導電体７６ａ、７６ｂの位置を揃え、摺動絶縁部７８が一列に並ぶように構成したが、摺動導電体７６ａ、７６ｂの位置を極ごとにずらし、摺動絶縁部７８をそれぞれ異なる位置としても良い。

そして、摺動導電体７６ａ、７６ｂは摺動絶縁部７８よりも硬い例えば押圧力が０．５ｋｇ／ｃｍ^２以下で摩耗量がほぼゼロとなる部材を使用する。また、摺動導電体７６ａ、７６ｂは通電によって生じる電気的な腐食（以後、電食と記述する。）が生じにくい部材を使用する。このような摺動導電体７６ａ、７６ｂの材料としては、導電性を有する炭素板（導電性カーボン）を用いることが特に好ましい。

また、摺動絶縁部７８はある程度の硬度を有しながら摺動導電体７６ａ、７６ｂよりも柔らかい部材を用いる。このような材料として特に布基材フェノール樹脂積層板（ベークライト板）を用いることが好ましい。そして、弾性部材６６が例えば０．５ｋｇ／ｃｍ^２の押圧力で固定電極６４を差動回転部７４ａ、７４ｂに押圧すると、この押圧力を受けて摺動絶縁部７８が弾塑性変形の弾性領域で若干変形し、押圧力のほとんどを受け止めてこれを緩和する。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂに掛かる押圧力は低減し、摺動導電体７６ａ、７６ｂは押圧力が極めて小さい臨界接触状態（押圧力がほとんど掛からずに接触導通している状態）で回転体電極６２、固定電極６４と接触導通する。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂ、回転体電極６２、固定電極６４の摩耗を低減することができる。

次に、第１の形態のスリップリング６０ａの回転体電極６２と固定電極６４に関して説明する。第１の形態のスリップリング６０ａの回転体電極６２と固定電極６４は、図２（ａ）、（ｃ）に示すように、差動回転部７４ａと同心で摺動導電体７６ａの半径（円弧の半径）と略同一の半径を有するリング状を呈する。そして、図１に示すように、弾性部材６６は固定電極６４を裏面側から差動回転部７４ａ側へ所定の圧力で押圧する。この所定の圧力とは、摺動導電体７６ａと回転体電極６２、固定電極６４とが臨界接触状態で接触導通する圧力である。これにより、回転体電極６２の差動回転部７４ａ側の面と摺動導電体７６ａの一方の端面とがそれぞれ臨界接触状態で接触導通する。また、固定電極６４の差動回転部７４ａ側の面と摺動導電体７６ａの他方の端面とがそれぞれ臨界接触状態で接触導通する。

次に、第２の形態のスリップリング６０ｂの回転体電極６２と固定電極６４に関して説明する。先ず、第２の形態のスリップリング６０ｂの回転体電極６２は、図４、図５に示すように、外周面が摺動導電体７６ｂの内周面と同一の曲率を有するアーチ状を呈し、また、固定電極６４は内周面が摺動導電体７６ｂの外周面と同一の曲率を有するアーチ状を呈する。そして、回転体電極６２は円筒状の差動回転部７４ｂ内に挿入され、固定電極６４は差動回転部７４ｂの外周に配置される。そして、弾性部材６６が固定電極６４を外周側から内周側の差動回転部７４ａ側へと所定の圧力で押圧する。また、このとき回転体電極６２側にも弾性部材を設け、回転体電極６２を内周側から外周側の差動回転部７４ａ側へと所定の圧力で押圧するようにしても良い。尚、この所定の圧力とは、摺動導電体７６ｂと回転体電極６２、固定電極６４とが臨界接触状態で接触導通する圧力である。これにより、回転体電極６２の外周面が摺動導電体７６ｂの内周面とそれぞれ臨界接触状態で接触導通し、摺動導電体７６ｂの外周面が固定電極６４の内周面とそれぞれ臨界接触状態で接触導通する。

また、回転体電極６２、固定電極６４の摺動導電体７６ａ、７６ｂとの接触面、即ち、スリップリング６０ａでは、図２（ａ）中のドットで示す回転体電極６２の差動回転部７４ａ側の平面と、図２（ｃ）中のドットで示す固定電極６４の差動回転部７４ａ側の平面、スリップリング６０ｂでは図５中のドットで示す回転体電極６２の外周面と固定電極６４の内周面にイオン化しにくい貴金属の薄膜をメッキや蒸着等の周知の手法により設けることが好ましい。この薄膜の材料としては、安価で導電性が高く比較的硬度の高い銀を用いることが特に好ましい。そして、この構成では電気抵抗の低い貴金属薄膜により摺動導電体７６ａ、７６ｂとの接触面での電流密度が分散することに加え、イオン化しにくい貴金属薄膜の存在により接触面での電食が防止され、回転体電極６２、固定電極６４の摩耗をさらに低減することができる。

ここで、第１の形態のスリップリング６０ａの差動回転部７４ａ（摺動導電体７６ａ：炭素板、摺動絶縁部７８：ベークライト板）に押圧力０．５ｋｇ／ｃｍ^２で回転体電極６２、固定電極６４を接触導通させ、差動回転部７４ａを約３０００ｒｐｍで１０００ｈｒ回転させたところ、摺動導電体７６ａ、７６ｂの摩耗量は５μｍ以下であり、ほとんど摩耗は認められなかった。また、摺動導電体７６ａを挟んだ回転体電極６２と固定電極６４との間の抵抗値は差動回転部７４ａの停止時は１０ｍΩ以下であり、回転時でも１００ｍΩ以下に維持された。

次に、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂの動作を説明する。先ず、回転体電極６２と固定電極６４とは差動回転部７４ａ、７４ｂに設けられた摺動導電体７６ａ、７６ｂを介して導通している。これにより、回転体４０と固定体１２とは電気的に接続し、スリップリング６０ａ、６０ｂを介して電力供給や電気信号の伝達が行われる。尚、この際、弾性部材６６が固定電極６４を適切な押圧力で差動回転部７４ａ、７４ｂ側に押圧する。これにより、摺動絶縁部７８が弾塑性変形して押圧力のほとんどを受け止め、回転体電極６２、固定電極６４と摺動導電体７６ａ、７６ｂとは押圧力がほとんど掛からない臨界接触にて接触導通する。

次に、回転体４０が回転すると回転体電極６２が回転するとともに、ベアリング７０の転動体７０６が自公転し、この転動体７０６の公転運動は伝達部材７２によって差動回転部７４ａ、７４ｂに伝達する。これにより、差動回転部７４ａ、７４ｂは回転体４０の約１／２の回転数で回転体４０と同一の方向に回転する。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂは固定電極６４との導通状態を維持しながら固定電極６４に対して回転体４０の約１／２の回転数で回転し摺動する。また、回転体電極６２は摺動導電体７６ａ、７６ｂとの導通状態を維持しながら摺動導電体７６ａ、７６ｂに対して回転体４０の約１／２の回転数で回転し摺動する。これにより、回転体４０と固定体１２との間の電気的な接続は良好に維持され、スリップリング６０ａ、６０ｂを介した電力供給や電気信号の伝達が継続して行われる。

このように、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂは、差動回転部７４ａ、７４ｂを回転体４０の約１／２で回転させるため、その分、摺動部分の摩耗を低減することができる。また、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂは、回転体電極６２、固定電極６４と摺動導電体７６ａ、７６ｂとを押圧力がほとんど掛からない臨界接触にて接触導通させる。このため、摺動部分の摩耗をさらに低減することができる。

次に、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂに関して説明を行う。尚、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂは、本願発明のスリップリング６０ａ、６０ｂを［特許文献１］に記載の電動機８０ａ、８０ｂに適用したものである。ただし、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂは、［特許文献１］に記載の電動機８０ａ、８０ｂへの適用のみに限定される訳ではなく、他の構造の従来の電動機や発電機、回転灯、その他の周知の回転体に適用することができる。また、ここでは第１の形態の電動機８０ａに第１の形態のスリップリング６０ａを適用し、第２の形態の電動機８０ｂに第２の形態のスリップリング６０ｂを適用した例を用いているが、特にこの組み合わせに限定される訳ではなく、第１の形態の電動機８０ａに第２の形態のスリップリング６０ｂを適用し、第２の形態の電動機８０ｂに第１の形態のスリップリング６０ａを適用しても構わない。

先ず、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂに共通する構成を説明する。図７、図８に示す本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂは、被駆動体Ｍに回転力を伝達する出力軸１０と、この出力軸１０に固定したロータ３０と、このロータ３０の外側に位置するステータ４０と、出力軸１０とステータ４０とを回転可能に軸支する固定軸受部１２と、ステータ４０に設けられ駆動電流が流れることでロータ３０を回転させる複数のコイル４２と、ステータ４０をロータ３０と同一の方向に回転可能に保持するステータ回転機構４６と、ステータ４０を固定軸受部１２に対し回転可能に軸支するベアリング７０と、本願発明のスリップリング６０ａ、６０ｂと、を有している。そして、本願発明のスリップリング６０ａ、６０ｂは、回転体（４０）としてのステータ４０と固定体（１２）としての固定軸受部１２との間に設けられ、固定軸受部１２側からの駆動電流をステータ４０に設けられたコイル４２に供給する機能を有する。尚、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂでは上記のベアリング７０がスリップリング６０ａ、６０ｂのベアリング７０に相当する。また、被駆動体Ｍは本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂを電気自動車等の車両に適用する場合には、車輪もしくは車輪を回転させる減速機構等である。

そして、ロータ３０（出力軸１０）は固定軸受部１２によって回転可能に軸支されるとともに、ロータ３０（出力軸１０）と固定軸受部１２との間には逆転防止手段１６が設けられ、ロータ３０の逆方向への回転を規制するとともに、例えば被駆動体Ｍの停止時等においてはロータ３０と固定軸受部１２とを固定して、ロータ３０の回転を防止する。

また、ステータ４０を保持するステータ回転機構４６は、ロータ３０をステータ４０に対し回転可能に軸支する周知のベアリング等の軸受部４６ａと、ステータ４０がロータ３０の回転方向とは逆の方向へ回転することを規制する逆転防止手段４６ｂと、で主に構成されている。

また、逆転防止手段１６、４６ｂとしてはワンウェイクラッチや電磁クラッチ等の周知の部材を用いても良いし、固定軸受部１２と固定したラチェット歯車５０と、ロータ３０側もしくはステータ４０側と固定しラチェット歯車５０の側に付勢された爪部５２と、を有し、順方向回転では爪部５２がラチェット歯車５０上を滑って回転しこの方向の回転を許容するとともに、逆方向回転では爪部５２がラチェット歯車５０と噛み合ってこの方向の回転を阻止し、さらにロータ３０もしくはステータ４０が所定の回転速度以上となると爪部５２が遠心力により外側に回動してラチェット歯車５０から離れるものを用いても良い。この構成では、ロータ３０もしくはステータ４０が高速回転している場合には、爪部５２とラチェット歯車５０とが離れて非接触となり、摩擦抵抗や振動の発生を防止することができる。

次に、本発明に係る第１の形態の電動機８０ａの構成に関して説明する。図７に示す第１の形態の電動機８０ａは、直流電流によって動作する電動機であり、ステータ４０側に電機子として機能する複数のコイル４２を有し、ロータ３０側に界磁部としての界磁マグネット３２を複数有している。そして、ステータ４０のコイル４２は巻芯に磁心を備えており、周方向に一定の間隔をあけて複数、例えば３６個配置される。また、電動機８０ａのロータ３０には、ステータ４０側のコイル４２を挟むように２つのロータ円板３４が固定され、このロータ円板３４の内側に複数の界磁マグネット３２がステータ４０側のコイル４２の磁心と対向するように等間隔で固定される。尚、この界磁マグネット３２はコイル４２に対する界磁束を形成してロータ３０を回転させるための永久磁石であり、周方向に沿って隣り合う磁極が逆となるように、即ちＮ極とＳ極が交互に現れるように配設されている。また、界磁マグネット３２としては金属磁石を用いても焼結磁石を用いても良いが、中でも大きな磁力を有するネオジム磁石等の希土類磁石を用いることが特に好ましい。尚、コイル４２が３６個の場合、界磁マグネット３２は例えばコイル４２を挟むように６対設けられる。

また、電動機８０ａにはコイル４２に対する界磁マグネット３２の相対位置を取得する位置情報取得手段１８と、出力軸１０（ロータ３０）の回転数が入力するとともに位置情報取得手段１８からの位置情報に基づいてコイル４２への駆動電流の流下方向を制御する図示しない制御部と、が設けられる。尚、位置情報取得手段１８には特に限定は無く、周知の位置センサーやレゾルバ式角度測定器等の周知の磁気式位置検出器、周知の光学式位置検出器など如何なるものを用いても良い。また、位置情報取得手段１８は直接的に相対位置を取得するものの他に、コイル４２の絶対位置を取得するコイル位置情報取得手段と界磁マグネット３２の絶対位置を取得する磁石位置情報取得手段とを個別に設け、制御部等がこれらコイル４２の絶対位置と界磁マグネット３２の絶対位置とから両者の相対位置を算出するようにしても良い。尚、図７では位置情報取得手段１８として、ロータ３０とともに回転し所定の位置に開口が形成されたスリット板１８ａと、ステータ４０と固定しスリット板１８ａの開口を挟んで設置された発光素子１８ｂ、受光素子１８ｂ’と、を有する光学式の位置検出手段を用いた例を示している。

そして、この光学式の位置情報取得手段１８では、発光素子１８ｂの光がスリット板１８ａの開口を通して受光素子１８ｂ’に到達したときの受光信号に基づいてコイル４２と界磁マグネット３２との相対位置を取得する。そして、制御部はステータ４０（コイル４２）に対するロータ３０（界磁マグネット３２）の相対位置と、出力軸１０（ロータ３０）の回転数に基づいて、上位の制御装置等から要求された回転動作を行うよう各コイル４２に流下する駆動電流の電流値および流下方向を制御する。そして、この駆動電流は固定軸受部１２側からスリップリング６０ａ（６０ｂ）の各固定電極６４に供給され、摺動導電体７６ａ（７６ｂ）を介してステータ４０側の回転体電極６２にそれぞれ伝達される。そして、回転体電極６２と接続したコイル４２にそれぞれ流下し、ロータ３０は制御部の指示したトルク及び回転速度で回転動作する。

次に、本発明に係る第２の形態の電動機８０ｂの構成に関して説明する。尚、第２の形態の電動機８０ｂは交流電流によって動作する電動機である。先ず、電動機８０ｂのロータ３０は例えば電磁鋼板を円筒状に貼り合せたロータ鉄心３６を有している。そして、ロータ鉄心３６と対向したステータ４０の内側には磁心を備えた複数のコイル４２が、磁心がロータ鉄心３６側を向くように設置されている。そして、例えばＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相交流の電動機８０ｂの場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応したコイル４２が順に配置される。また、スリップリング６０ｂ（６０ａ）は固定軸受部１２側からのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流を固定電極６４、摺動導電体７６ｂ（７６ａ）、回転体電極６２を介してステータ４０側のコイル４２に供給する。そして、スリップリング６０ｂ（６０ａ）を介して供給されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流がそれぞれのコイル４２に順に流下することで、コイル４２によって形成される磁界が回転し、この回転磁界によってロータ鉄心３６に渦電流が流下してローレンツ力が働きロータ３０が回転する。

次に、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂの特徴的な動作を図９を用いて説明する。ここで、図９（ａ）は横軸を出力軸１０の回転数Ｎ、縦軸を出力軸１０のトルクＴとした模式的なＮ−Ｔ線図であり、図９（ｂ）はロータ３０、ステータ４０の回転速度の変化を説明するためにこれらの変化を直線で模式的に示した図である。

先ず、電源のオフ状態においては、電動機８０ａ、８０ｂのロータ３０、ステータ４０はともに停止状態にある（図９（ｂ）中の点０）。次に、電動機８０ａ、８０ｂを起動させると、制御部は逆転防止手段１６によってロータ３０の逆回転を阻止した状態でコイル４２に対し、逆回転方向の電流をスリップリング６０ａ、６０ｂを介して印加する。これにより、ロータ３０には逆回転方向に力が働くが、前述のようにロータ３０の逆回転は阻止されているから、このロータ３０に生じる力は反力となってステータ４０に働き、これによりステータ４０は順方向に回転する。そして、ステータ４０が所定の回転速度となった時点（図９（ｂ）の破線中の点Ａ）で、例えばアクセルを踏むなどの出力軸１０への出力要求を行うと、制御部はロータ３０の固定を解除するとともにロータ３０が順方向に回転するような駆動電流をスリップリング６０ａ、６０ｂを介してコイル４２に流下させる。尚、交流の電動機８０ｂでは所定の周波数の交流の駆動電流に加えて、電動機８０ｂの動作を阻害しない程度の直流電流をスリップリング６０ａ、６０ｂを介して駆動電流に重畳して流下させる。これにより、ロータ３０とステータ４０とは磁気的に結合し、ロータ３０はステータ４０の回転力によって同一の方向（順方向）に回転を開始する。また、これに加えコイル４２にはロータ３０を順方向に回転させる駆動電流が流下するから、この駆動電流によっても順方向に回転する。これにより、ロータ３０は図９（ａ）の点Ａに示すように、駆動電流の供給電力Ｋｗで生じるトルクＴｗに加えて、ステータ４０の回転力Ｋｉによって生じるトルクが合わさったトルクＴ_０で回転動作する。尚、図９（ａ）ではロータ３０のトルクをトルクＴ_０で制限する構成を示している。この場合、ロータ３０の回転開始時はステータ４０の回転力Ｋｉが主となってロータ３０を回転させ、図９（ａ）中の破線で示す余剰分は電流成分となって駆動電流に補填され、その分、電源からの供給電力を低減することができる。

そして、このトルクＴ_０が印加することによりロータ３０は回転を開始する。ここで、トルクＴ_０で制限しない場合の回転力Ｋｉによる仮想的なトルクを図９（ａ）中のトルクＴ’として示すと、このトルクＴ’はロータ３０の回転に伴って減少し、その分、ステータ４０側からの駆動電流の補填量も減少する。また、ステータ４０の回転力Ｋｉがロータ３０の回転に用いられることで、図９（ｂ）中の破線で示すステータ４０の回転速度Ｎｍは減少し、図９（ｂ）中の実線で示すロータ３０の回転速度Ｎｃは増加する。そして、ある点Ｂにおいてステータ４０の回転速度Ｎｍとロータ３０の回転速度Ｎｃとが等しくなり、その後はロータ３０の回転速度Ｎｃがステータ４０の回転速度Ｎｍよりも速くなる。尚、図９（ａ）ではＮｍ＝Ｎｃとなる点ＢがトルクＴ_０となる例を図示している。

ここで、ステータが回転しない従来の電動機はロータの回転に伴って直ちに逆起電力Ｋｅが生じ、この逆起電力Ｋｅはロータの出力Ｎ・Ｔを減少させる。この逆起電力Ｋｅはロータのステータに対する角速度ωが増加するにつれ増大する。従って、ステータが固定した従来の電動機では所定の出力Ｎ・Ｔを維持するために逆起電力Ｋｅによる損失分を埋める大きな供給電力Ｋｗを必要とする。

しかしながら、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂではステータ４０の回転速度Ｎｍがロータ３０の回転速度Ｎｃよりも速いＮｍ＞Ｎｃの領域（図９（ｂ）中の点Ａ−点Ｂ間の領域）では、ステータ４０に対するロータ３０の角速度ωは負となり、逆起電力Ｋｅは駆動電流を補填する電流を流下させる。これにより、前述のように電源からの供給電力を低減することができる。

そして、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂはステータ４０の回転速度Ｎｍがロータ３０の回転速度Ｎｃと等しくなるＮｍ＝Ｎｃ（図９（ｂ）中の点Ｂ）まで逆起電力Ｋｅは発生せず、供給電力Ｋｗを全てロータ３０の出力Ｎ・Ｔに用いることができる。そして、ロータ３０の回転速度Ｎｃがステータ４０の回転速度Ｎｍよりも速くなったＮｃ＞Ｎｍの時点で逆起電力Ｋｅが生じ、ここで初めて出力Ｎ・Ｔに対する損失が発生する。即ち、ステータが回転しない従来の電動機ではロータの回転開始直後から逆起電力Ｋｅによる損失が生じるのに対し、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂではロータ３０の回転速度Ｎｃがステータ４０の回転速度Ｎｍを超えるまで逆起電力Ｋｅによる損失は生じない。このため、ロータ３０の回転初期の高トルクが必要な領域で供給電力Ｋｗを増加させることなく、出力Ｎ・Ｔを維持することができる。

そして、さらにロータ３０の回転速度Ｎｃが増大するとステータ４０の回転速度Ｎｍが減少し、ステータ４０は最終的に停止する（図９（ｂ）中の点Ｃ）。このステータ４０が停止するまでのＮｃ＞Ｎｍ＞０の領域（図９（ｂ）中の点Ｂ−点Ｃ間の領域）では、逆起電力Ｋｅによる損失は生じるもののステータ４０は依然回転状態にあるため、逆起電力Ｋｅはステータ４０の回転速度Ｎｍの分だけ小さな値となり、ステータが回転しない従来の電動機と比較して発生する逆起電力Ｋｅは小さく損失は少ない。そして、電動機８０ａ、８０ｂはステータ４０が停止した図９（ｂ）中の点Ｃ以降において従来の電動機と同等の挙動を示す。

このように、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂはステータ４０の回転力Ｋｉをロータ３０の回転に用いるため、従来の供給電力Ｋｗのみによって生じるトルクＴｗよりも高いトルクＴ_０で回転動作させることができる。ここで、トルクＴ_０をトルクＴｗの２倍としたときに、ステータ４０の回転速度Ｎｍがロータ３０の回転速度Ｎｃと等しいＮｍ＝Ｎｃ点では、ステータが回転せず供給電力Ｋｗのみで回転し逆起電力Ｋｅによる損失が生じる従来の電動機と比較して、計算上４倍の出力Ｎ・Ｔを得ることができる。

次に、電動機８０ａ、８０ｂのロータ３０が回転しステータ４０が停止した状態で、例えばブレーキを踏むなどの出力軸１０（ロータ３０）の回転を減速させる要求がなされると、制御部は例えばロータ３０の回転を減速させるような駆動電流をスリップリング６０ａ、６０ｂを介してコイル４２に流下する。これにより、ロータ３０の回転速度が減少すると同時にロータ３０とステータ４０間には反力が生じ、この反力はステータ４０を順方向に回転させる。これにより、ロータ３０の回転力はステータ４０の回転に変換される。そして、再度、アクセルを踏むなどの出力軸１０への順方向回転への出力要求が行われると、先の動作と同様にしてステータ４０の回転力Ｋｉがロータ３０を回転するように働く。このように、本発明に係る電動機８０ａ、８０ｂは、制動時等にはロータ３０の回転力を運動エネルギーのままステータ４０の回転力として蓄積し、再始動時等にはこのステータ４０の回転力を運動エネルギーのままロータ３０の回転に用いる。このため、エネルギー損失が少なく、ロータ３０、ステータ４０の運動エネルギーを最大限に有効活用することができる。

以上のように、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂ及びこのスリップリング６０ａ、６０ｂを備えた電動機８０ａ、８０ｂは、ベアリング７０の公転運動を利用して摺動部である差動回転部７４ａ、７４ｂを回転体４０の約１／２の回転数で回転させる。これにより、摺動部分の実質的な回転速度が低下し、摺動部の摩耗の低減を図ることができる。また、本発明に係るスリップリング６０ａ、６０ｂ及び電動機８０ａ、８０ｂは、１極の摺動電極を複数の摺動導電体７６ａ、７６ｂで構成し、この摺動導電体７６ａ、７６ｂの間隙に摺動導電体７６ａ、７６ｂよりも柔らかい摺動絶縁部７８を位置させる。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂへの押圧力は摺動絶縁部７８側が受けて、摺動導電体７６ａ、７６ｂに掛かる押圧力が低減し、押圧力が極めて小さい臨界接触状態で摺動導電体７６ａ、７６ｂと回転体電極６２、固定電極６４を接触導通させることができる。これにより、摺動導電体７６ａ、７６ｂ、回転体電極６２、固定電極６４の摩耗をさらに低減することができる。また、回転体電極６２と固定電極６４の摺動導電体７６ａ、７６ｂとの接触面にイオン化しにくい貴金属薄膜を形成することで、回転体電極６２と固定電極６４の電食を防止し、電極の摩耗をさらに低減することができる。

尚、本例で示したスリップリング６０ａ、６０ｂの各構成は一例であり、各部の形状、寸法、機構、デザイン、個数等は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更して実施することが可能である。

１０ 出力軸
１２ 固定体（固定軸受部）
３０ ロータ
４０ 回転体（ステータ）
４２ コイル
６０ａ、６０ｂ スリップリング
６２ 回転体電極
６４ 固定電極
６６ 弾性部材
７０ ベアリング
７２ 伝達部材
７４ａ、７４ｂ 差動回転部
７６ａ、７６ｂ 摺動導電体
７８ 摺動絶縁部
８０ａ、８０ｂ 電動機
７０６ 転動体
Ｍ 被駆動体

Claims (6)

1. 回転体側に設けられた回転体電極と、固定体側に設けられた固定電極と、
   前記回転体を回転可能に保持するベアリングと、
   前記ベアリングを構成し前記回転体の回転に伴って自公転する転動体と、
   前記転動体の公転運動を伝達する伝達部材と、
   前記伝達部材と接続し前記転動体の公転運動により回転する差動回転部と、
   前記差動回転部に設けられ一方の面に前記回転体電極が当接し他方の面に前記固定電極が当接する摺動導電体と、
   前記回転体電極もしくは前記固定電極を前記差動回転部の側に所定の力で押圧する弾性部材と、を有し、
   前記摺動導電体の間に摺動絶縁部が位置し、前記摺動絶縁部が弾塑性変形の弾性領域で変形して前記摺動導電体への押圧力を低減し、前記摺動導電体と前記回転体電極と前記固定電極とを押圧力が極めて小さい臨界接触状態で接触導通させることを特徴とするスリップリング。
2. 差動回転部がディスク状を呈し、摺動導電体は端面が円弧状であり前記差動回転部と同心の円状に配置され、さらに前記摺動導電体の両端面が前記差動回転部の両平面にそれぞれ面一で露出し、
   回転体電極と固定電極とが前記差動回転部と同心で前記摺動導電体と略同一の半径を有するリング状を呈することを特徴とする請求項１に記載のスリップリング。
3. 摺動導電体が導電性を有する炭素板で構成され、回転体電極と固定電極の前記摺動導電体との接触面に貴金属薄膜を有することを特徴とする請求項２記載のスリップリング。
4. 差動回転部が円筒形状を呈するとともに、摺動導電体が前記差動回転部と同一の曲率のアーチ形状を呈して前記差動回転部を周方向に１周するように配置され、さらに前記摺動導電体の内周面と外周面とが前記差動回転部の内周面と外周面とに面一で露出し、
   回転体電極は外周面が前記摺動導電体の内周面と略同一の曲率を有するアーチ状を呈し、固定電極は内周面が前記摺動導電体の外周面と略同一の曲率を有するアーチ状を呈し、前記回転体電極の外周面が前記摺動導電体の内周面と接触し、前記固定電極の内周面が前記摺動導電体の外周面と接触して導通することを特徴とする請求項１に記載のスリップリング。
5. 摺動導電体が導電性を有する炭素板で構成され、回転体電極の外周面と固定電極の内周面とに貴金属薄膜を有することを特徴とする請求項４記載のスリップリング。
6. 被駆動体に回転力を伝達する出力軸と、
   前記出力軸に固定したロータと、
   前記ロータの外側に位置するステータと、
   前記出力軸と前記ステータとを回転可能に軸支する固定軸受部と、
   前記ステータに設けられ駆動電流が流れることで前記ロータを回転させる複数のコイルと、
   前記ステータを前記ロータと同一の方向に回転可能に保持するステータ回転機構と、を有し、
   前記ロータの回転が減速する際に前記ロータの回転力を前記ステータの回転に変換し、
   前記ステータを回転させた状態で前記駆動電流を流すことで、前記駆動電流による回転力に前記ステータの回転力を加えて前記ロータを回転させる電動機において、
   回転体としての前記ステータと固定体としての前記固定軸受部との間に設けられ、前記固定軸受部側からの駆動電流を前記コイルに供給する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のスリップリングをさらに有することを特徴とする電動機。

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