JPH0356054A - 直流回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電装品等の部材装置の廓動源として用いられ
る直流回転電機に関するものである。

［従来技術及び発明が解決しようとする課題コ一般に、
この種電装品等の部材装置には，直流式の回転電機（直
流モータ）が廓動源として採用されている．ところで今
日汎用されている直流モータは、アマチュアの外周部に
、コア軸の軸芯方向を向いたスロット（溝）を複数形威
し、このスロットにコイルを巻装したものである。しか
るに近時、高性能化の目的から、形状を大きくすること
無く、さらにトルクアップされた回転電機の開発が強く
求められている， ところで，回転電機のトルク（Ｔｑ）は、ｒ７ｑ＝ＫＸ
ＺＸΦＸＩＪとして定義されている。ここでｒＫＪはモ
ータの形状（大きさ）から定められる定数，「２」はコ
イルの導体数，「Φ」は固定磁界から得られる定数、「
工」は入力電流値である，そしてこの式において所要電
流「工」を一定とし、かつモータ形状を一定とするとｒ
　Ｔｑ　＝　Ｋエ×Ｚ×Φ」となる（但し、κ、＝ＫＸ
Ｉ）。

この式においてモータのトルクアップを計るには、２ま
たはΦの少なくとも一方を大きくすれば良いことになる
。ところがモータ形状が一定でフマチュアの径が一定と
いう制限のもとで、コイルの導体数を大きくしてＺを大
きくとスロットの幅を大きくする必要があり、そうする
とスロット間に有るテイース部の幅が小さくなってその
段面積が小さくならざるを得なくなってΦが小さくなり
，逆にΦを大きくすべくテイース部の幅を大きいものを
用いれ゛ばスロットの幅が小さくなってコイルの導体数
が小さくならざるをえないこととなる。

この結果、従来方式の汎用直流モータでは高トルクを得
るのに自ずと限界があり、今日、既にこの分野での研究
開発が進み、殆ど飽和の状態となっているのが実情であ
って、これ以上の高トルクモータを得ることはできない
という現実に有る。

［課題を解決する手段コ 本発明は、上記の如き実情に鑑み、これらの欠点を一掃
することができる直流回転電機を提供することを目的と
して創案されたものであって，ケーシングに回転自在に
軸承される非磁性体から成るコア軸と、ケーシング内周
面に極数に相当する数の磁極を有するよう設けられた固
定子と、前記コア軸を中心に巻装される３個以上の数の
コイル部と，該各コイル部に設けられ，一つのコイル部
に上記極数に相当する数の固定子対向部を同一極側にそ
れぞれ有し、かつ各コイル部の固定子対向部が「３６０
度／（極数×コイル部数）」で求められるピッチ角を存
して順次配される鉄心と、コア軸に設けられ、コイル部
数に極数を乗じた数を有し、かつ上記各コイル部からの
引出し線が、固定子の隣接Ｎ．Ｓ極間に位置する固定子
対向部を有するコイル部に順次通電されるよう接続され
たセグメントを設けた整流部と、同時に３個のセグメン
トに接触することが無いよう回転方向の幅がセグメント
幅よりノＪ１さく設定され、同一コイル部からの引出し
線に直流電流を通電すべくセグメントに摺接する刷子と
を用いて構成したことを特徴とするものである。

そして本発明は、この構成によって、全く新規構造の回
転電機を提供して、形状を一定にするという制限のもと
でも、汎用直流モータ以上の高トルクを得ることができ
るようにしたものである．［実施例］ 次に、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する．図
面において、１は４極の直流モータのケーシング（ヨー
ク及びエンドブラケットによって形或されている）であ
って、該ケーシング１の左右両端部に非磁性体によって
形成されるコア軸（モータ軸）２が軸受３を介して回動
自在に軸支されているが、コア軸２には、整流部４と都
合三組の起磁力発生部５とが軸芯方向に順次並設されて
いる．ここで起磁力発生部５は、コイル６、該コイル６
を巻装するボビン７，ボビン７の両側に配される第一、
第二鉄心８、９を用いて構成されるが、コイルボビン７
は，整流部４側のフランジ部１Ｑａが形威される第一ボ
ビン半部１０と反対側のフランジ部１１ａが形成される
第二ボビン半部１１とを突合せ状に組合せたものであっ
て，両フランジ部１０ａ、ｌｌａ間にコイル６を巻装す
る巻装凹溝７ａが形成されている．しかも各フランジ部
１０ａ、ｌｌａの外周縁部にはそれぞれ十二個の貫通孔
１０ｂ．ｌｌｂが穿設されていると共に、肉厚の第一フ
ランジ部１０ａの内側面にはさらに巻始めのコイル６を
引出すコイル引出し溝１０ｃが形成されている．そして
このように形或されたコイルボビン７にコイル６を巻装
することになるが、さらにこのものに略コ字形をした前
記第一、第二の鉄心８、９が９０度の角度を存して対向
するよう両フランジ部１０ａ，ｌｌａの外側から組付け
られる．これら鉄心８、９の各両端部は、コイルボビン
７のコイル６が巻装される外周面部にオーバーラップす
るよう折曲されていて、それぞれ固定子対向部８ａ、９
ａを構威しており、この様にして起磁力発生部５が組付
けられている．そして各起磁力発生部５の隣接する間に
は、非磁性体によって形成されるカラー１２が介在され
ていて、互いに干渉しないよう設定されている．しかも
各起磁力発生部５は、固定子対向部８ａ、９ａがそれぞ
れ３０度のピッチ角を存して順次配されるように組付け
られている．因みにこのピッチ角は「３６０度／（極数
×コイル部数）」から算出されるものであって、実施例
では極数が４，コイル部数は３であることから、３６０
度／（４×３）＝３０度が求められる． また各起磁力発生部５から引出されるコイル６の巻始め
側と巻終り側の各引出し線６ａ、６ｂは後述するように
整流部４に接続されることになるが、これら引出し線６
ａ、６ｂは、フランジ部１０ａ、ｌｌａにそれぞれ形成
した適宜の貫通孔工ｏｂ、ｌｌｂを貫通させて整流部４
側まで配線されており、これによって、引出し線６ａ、
６ｂが不用意にずれたりすることがないよう支持される
ことになる。

さらに第一起磁力発生部５と整流部４との間に仕切り板
１３が配設されている。この仕切り板１３には貫通孔１
３ａが多数穿設されており、そして前記各引出し線６ａ
、６ｂは、この貫通孔１３ａを貫通して整流部４側に臨
んでいる。整流部４のセグメント４ａの個数は，コイル
部の数である『３」に極数を乗じたものであって実施例
は４極であるからｒ３Ｘ４」から１２個になる．次ぎに
引出し線６ａ、６ｂとセグメント４ａとの配線であるが
、説明の便宜上、第１０図に示す如く、各セグメント４
を反時計回りに■〜＠と番号付けをすると共に、整流部
４から最も遠い側の起磁力発生部５の巻始め側引出し線
６ａを貫通孔１３ａから引出してセグメント■に接続す
る。該セグメントのはさらに均圧線１４の一端が接続さ
れているが，この均圧線１４は貫通孔１３ａを通って起
磁力発生部側に引出され，そして適宜貫通孔１３ａから
再び整流部側に引出されて対角位置にあるセグメント■
に接続され、これによってセグメントのと■とは均等に
なるよう設定されている．また前記整流部から最も遠い
第一起磁力発生部５の巻終り側引出し線６ｂは、貫通孔
１３ａから引出されてセグメント■に接続され、該セグ
メント■は均圧線１４によって同様にセグメント［相］
に接続されて均等になっている． また中間位置に有る起磁力発生部５の巻始め側引出し線
６ａは、同様にしてセグメント■と■とに均等の関係と
なるよう接続され、巻終り側引出し線６ｂはセグメント
■と■とに均等の関係となるよう接続されている。さら
に整流部４に最も近接する側の起磁力発生部５の巻始め
側引出し線６ａはセグメント■と■とに均等の関係で接
続され、巻終り側引出し線６ｂはセグメント■と＠とに
均等の関係で接続されている。

一方、前記鉄心８、９の都合工２個の固定子対向部８ａ
、９ａについても便宜上次ぎのように番号付けする．つ
まり第１０図に示されるように、中央部に有る起磁力発
生部５の第二鉄心９の一方の固定子対向部９ａを対向部
■とし、該対向部■に対して３０度反時計回り位置にあ
って整流部４から最も遠い起磁力発生部５の第二鉄心９
の固定子対向部９ａを対向部■、さらに３０度反時計回
り位置にある整流部から最も近い起磁力発生部５の第一
鉄心８の固定子対向部８ａを対向部■、以下、順次反時
計回りに対向部■〜＠と番号付けする。

また、ケーシング１の内周面には、極数に合わせて都合
２個の永久磁石ｌ５が固定子として取付けられていると
共に、プラス用とマイナス用の一対の刷子ホルダ■６が
、これらに収容されるプラス側刷子１７がセグメント■
に接触するときには、マイナス側刷子工８がセグメント
■に接触するよう９０度離間した関係で取付けられてい
るが、さらにこれら各刷子１７、ｌ８は、コア軸回転方
向の幅が前記セグメント４ａの幅を越えない大きさと成
るよう設定されていて、同時に３個のセグメント４ａに
接触することが無いよう配慮されている。

そして次ぎに、本発明モータが郭動する経過を説明する
．それには刷子１７．１８に直流電流を印加することに
なるが、前述したように、プラス側刷子１７がセグメン
ト■に接触し、マイナス側刷子１８がセグメント■に接
触する状態では、遠い起磁力発生部５にのみ、巻始め引
出し線６ａ側から電流が流れて励磁され，これによって
第１２図Ａに示すように固定磁極のＮ，Ｓ極間に位置す
る対向部■、■がＳ極に、対向部■、■がＮ極となり、
而してアマチュアは、固定磁極と励磁磁極同志の吸引一
反発作用を受けて、これによって対向部の、■は固定磁
極のＮ極から、対向部■、［相］は固定磁極のＳ極から
それぞれ遠ざかる方向に回転する．そして第１２図Ｂに
示されるようにプラス側刷子１７がセグメントのと■の
両者に、またマイナス側刷子１８はセグメント■と■の
両者にそれぞれ接触すると共に、対向部の、■と■、［
相］が固定磁極Ｎ．Ｓ間に位置するよう変化する。この
状態になると、遠い側の起磁力発生部６への通電がその
まま継続されると共に，さらに中央の起磁力発生部５に
も巻始めコイル６ａ側から電流が流れて励磁され、これ
によって対向部■、■、■、＠がＮ極に、また対向部■
、■、■，［相］がＳ極にそれぞれなり、前記吸引一反
発作用を受けてアマチュアが回転する。そして第ｌ２図
Ｃに示す如くプラス側刷子１７はセグメント■のみに接
触し，マイナス側刷子ｌ８はセグメント■のみに接触す
る状態となり、この状態では対向部の、■がＮ極に，ま
た対向部■、［相］がＳ極にそれぞれ励磁されてアマチ
ュアが回転する．そうしてこれに準じた変化がさらに第
１２図Ｄ−Ｌに示されるように順次継続して威され、こ
の様にしてアマチュアが一回転する（アマチュアが一回
転するには第１２図Ａ−Ｌの変化をさらに一回繰り返す
）ことになり，これを直流電流の印加をしているあいだ
、繰り返されことによって連続回転するように設定され
ている． 叙述のごとく構威された本発明の実施例において、前述
したように刷子１７にプラス、刷子工８にマイナスの直
流電流を印加すると、アマチュアは回転することになる
が、その場合に得られるトルクについて実測すると、前
記実施例のものではトルク定数が０．７ｋｇ−ａ１／Ａ
であった。比較のため、ケーシング、および永久磁石、
刷子等は同一のものを用い，一方、アマチュアについて
も同一径に設定して汎用直流モータを組付け，そしてト
ルクを実測すると、このものではトルク定数が０．４ｋ
ｇ−ａｏ／Ａであった．この実測結果からして、本願発
明を実施したものは、既存の汎用直流モータよりも高ト
ルクが発揮されるものであることが実証される。

本発明を実施したものが高トルクを発揮する理由は、次
ぎのようなものであると考えられる．つまり汎用直流モ
ータの場合、第１３図Ｂに示す如くアマチュアのスロッ
ト１９内に巻装されたコイル束２０に直流電流が印加さ
れたことで発生する界磁が永久磁石１５の界磁と干渉し
て回転力を生じることになるが、その場合に前記コイル
束ｌ９の中心に力Ｆｉが働くと考えることができ，そし
てコア軸２の軸芯Ｏから上記コイル束１９の中心までの
距離（半径）をｒユとしたとき、汎用直流モータにおい
て、コア軸の軸芯回りに回転しようとするトルクＴｑ１
は−　　ｒＴｑｘ＝ｐ，×ｒ’ｔＪで算出される． 一方、本発明においては、第１３図Ａに示めされるごと
く、コイル６に電流が印加されたことで鉄心８、９の固
定子対向部８ａ、９ａに界磁が発生し、これが永久磁石
１５の界磁に干渉して、固定子対向部８ａ、９ａの中心
に力Ｆ２が働いて回転力を生じると考えられるが、この
方Ｆ２が働く固定子対向部８ａ．９ａまでのコア軸芯か
らの半径をｒ２とすると、トルクＴｑｚは、　’　Ｔ　
ｑｚ　＝　Ｆ　２×ｒ２」で算出される． そこでＦエ＝Ｆ２となるよう条件設定すると、本発明を
実施したものの方が明らがに力Ｆが作用する作用中心位
置のコア軸軸芯からの半径ｒ２が太き＜　（　ｒｚ＞　
ｒｉ）　、従って発生するトルクについても本発明を実
施したものの方が太き＜（Ｔｑｚ＞　Ｔ　ｑ　ｚ　）な
る。しかもこの高トルク発生を、ステツピングモータの
ように複雑な制御回路を必要とすること無く、構造簡単
なもので得ることができる詐りでなく、ステッピングモ
ータでは得ることができない負荷が拘束されたときのロ
ックトルクを確実に得ることができるものである。

そのうえコイル６は、ボビン７に単純に巻装したもので
あるため、既存のもののようにスロットにいちいち通さ
なければならないものに比して、著しく単純化され、従
って複雑な巻線装置が不要になるという利点も有る。

即ち、従来の汎用直流モータでは、トルクがアマチュア
の内部で発生するのに対し、本発明を実施したものでは
アマチュアの表面で発生することになり、この結果、ア
マチュアの半径を同じとした場合、本願発明のものの方
が明らかに大きなトルクを得られる結果と或り、これは
前述のように実測値からも裏付けられている。

尚、本発明は前記実施例に限定されるものでなく，極数
としては、６極、さらに多極とすることもができ、また
コイル部の数についても、３個以上であれば良い．因み
にコイル部が２個のものでは，電気的にショートしてし
まうため回転することが無く、本発明を実施することが
できないからである。

［作用効果］ 以上要するに、本発明は叙述の如く構威されたものであ
るから、直流電流を印加した場合に，固定子の磁極間に
固定子対向部が位置するコイル部に通電されることにな
って、固定子対向部に界磁が発生し，この発生した界磁
が固定子の界磁に干渉して、アマチュア外周に位置する
固定子対向部の中心に力が働いて回転力を生じることに
なる。

この結果、コア軸の軸芯からの半径を最も大きく稼ぐこ
とができるアマチュア外周位置を作用点としてトルクが
発生することに戒って、既存の汎用直流モータのように
，アマチュアに凹設したスロット内のコイル束中心位置
を作用点としてトルクが発生するものに比して、明らか
に高トルクのものにできる。しかもこの高トルクの確保
を、ステツビングモータのように複雑な制御回路を要す
ること無く得ることができて、構造の著しい簡略化とコ
ストダウンを計れる詐りでなく，ロックトルクも確実に
具備したものになるという利点を有することになる。

そのうえコイル部は、ボビンにコイルを単純に巻装した
ものにできるため、既存のもののようにスロットにいち
いち通さなければならないものに比して、著しく単純化
され、従って複雑な巻線装置が不要になるという利点も
有る。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係る直流回転電機の実施例を示したも
のであって、第ｌ図は直流回転電機の断面図、第２図は
アマチュアを整流部側から見た側面図、第３図はアマチ
ュアを反整流部側から見た側面図、第４図は起磁力発生
部の正面図、第５図は同上断面図、第６図Ａ，Ｂ，Ｃは
鉄心の正面図、背面図、断面図、第７図Ａ，Ｂ，Ｃは第
一ボビン半部の正面図、背面図，断面図、第８図Ａ，Ｂ
，Ｃは第二ボビン半部の正面図、背面図、断面図、第９
図Ａ，Ｂはカラーの正面図、断面図，第１０図は引出し
線の整流部配線状態を示す拡大側面図、第１１図はアマ
チュアが１５度ピッチで回転した場合における固定子対
向部の界磁変化を示すグラフ図、第ｌ２図Ａ−Ｌはアマ
チュアが１５度ピツチで回転した場合におけるコイル通
電状態と固定子対向部の界磁状態を示す作用説明図、第
１３図Ａ，Ｂは本発明を実施したモータおよび既存汎用
直流モータのトルク発生発生状態を示す作用説明図であ
る。 図中、２はコア軸、４は整流部、４ａはセグメント、６
はコイル、６ａ、６ｂはコイル引出し線、８、９は鉄心
、８ａ、９ａは固定子対向部、１５は永久磁石、１７、
ｌ８は刷子である。 第１ 図 第１１図 第６図 第４図 （９ａ） −３３０− 第５図 ９ａ Ｂ ８ａ（９ａ） Ｂ １０ａ Ａ 穿 Ｃ 第８ 図 １０ｃ 第 Ｂ １５ １３図 Ａ Ｆ ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ケーシングに回転自在に軸承される非磁性体から成るコ
   ア軸と、ケーシング内周面に極数に相当する数の磁極を
   有するよう設けられた固定子と、前記コア軸を中心に巻
   装される３個以上の数のコイル部と、該各コイル部に設
   けられ、一つのコイル部に上記極数に相当する数の固定
   子対向部を同一極側にそれぞれ有し、かつ各コイル部の
   固定子対向部が「３６０度／（極数×コイル部数）」で
   求められるピッチ角を存して順次配される鉄心と、コア
   軸に設けられ、コイル部数に極数を乗じた数を有し、か
   つ上記各コイル部からの引出し線が、固定子の隣接Ｎ、
   Ｓ極間に位置する固定子対向部を有するコイル部に順次
   通電されるよう接続されたセグメントを設けた整流部と
   、同時に３個のセグメントに接触することが無いよう回
   転方向の幅がセグメント幅より小さく設定され、同一コ
   イル部からの引出し線に直流電流を通電すべくセグメン
   トに摺接する刷子とを用いて構成したことを特徴とする
   直流回転電機。