WO2016208242A1

WO2016208242A1 - モータ

Info

Publication number: WO2016208242A1
Application number: PCT/JP2016/059112
Authority: WO
Inventors: 櫻井　敦
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2016-12-29

Abstract

モータ（１０１）は、回転可能に配置された電機子軸（１５）と、電機子軸（１５）を取り囲むように配置された複数の電機子コイルと、電機子軸（１５）を取り囲みつつそれぞれ周方向に互いに離隔するように配置された複数の整流子（２０）と、複数の整流子（２０）と順に接触する複数のブラシ（１７）と、複数の整流子（２０）の少なくともいずれかにおいて個別に貼り付けられた温度スイッチ（３０）とを備え、温度スイッチ（３０）が貼り付けられている整流子（２０）においては、整流子（２０）と電機子コイル（１４）との間の電気的接続が温度スイッチ（３０）を介してのみなされており、温度スイッチ（３０）は、所定温度以下の場合に電流を通す第１状態と前記所定温度を超えた場合に電流を通さない前記第２状態との間は可逆的に切換可能である。

Description

モータ

　本発明は、モータに関するものである。

　一般に、小型直流モータに何らかの異常が発生して電機子が拘束されたり、過負荷を受けて電機子の回転数が低下したりすると、電気子コイルには定格以上の過電流が流れ、焼損に至る。ここでいう焼損とは、具体的には、ジュール熱によってコイル巻線の温度がコイル巻線に用いられている絶縁材料の許容温度以上となり、絶縁材料が溶けてレイヤーショートする現象である。このように電機子が拘束されたり電機子の回転数が低下したときに流れる過電流を「ロック電流」ともいう。ロック電流による焼損を防止するために、温度スイッチを回路中に装入して、過電流を遮断する方法がとられている。温度スイッチ自体の温度が所定の温度以下の場合には電機子に電流を供給し、また、温度スイッチの温度が所定の温度以上である場合には電機子への電流の供給を遮断する。しかし、温度スイッチをモータのフレーム外部に取り付けた場合、発熱部からの距離が長くなり熱検出が困難であるため、温度スイッチをモータ内部に取り付けた温度スイッチ内蔵モータが実用化されている。

　その一例が、「小型モータのサーキットブレーカホルダ」と題して、実願昭５６－５６４４０号（実公昭６３－３０２２１号）（特許文献１）に記載されている。

実願昭５６－５６４４０号（実公昭６３－３０２２１号）

　上述のような従来技術に基づく温度スイッチ内蔵モータにおいては、温度スイッチはモータ内部のブラケットに固定されている。したがって、電機子コイルで発生したジュール熱は、巻線→整流子→ブラシ→温度スイッチ、もしくは、電機子軸→軸受→ブラケット→温度スイッチ、という経路で伝わるが、これでは熱が伝わるルートの途中に他の部材がいくつも介在しており、熱応答性が悪い。さらに、発熱部である電機子コイルと温度スイッチとの温度差が大きくなってしまう。さらに、同じ電流でも周囲温度が変化すると電機子コイルの温度も変化する。したがって、従来技術に基づく温度スイッチ内蔵モータでは、電機子コイルの温度を正確に検知して的確なタイミングで電流を遮断することが困難であった。

　焼損を防ぐためには、温度スイッチが電機子コイルへの電流を遮断する温度に余裕をもたせる必要がある。したがって、温度スイッチが電流を遮断する温度は、絶縁材料の許容温度よりも十分に低く設定しなければならない。しかし、これでは正常電流が流れている状態の電機子コイルの温度とロック電流が流れている状態の電機子コイルとの温度差が小さくなってしまう。その結果、狭い温度範囲および電流範囲でしか動作させることができないモータとなってしまい、モータ本来の性能を十分に発揮させることができないため、モータの効率が低下する。さらに、一般的にそのような小さな温度差では温度スイッチを安定して動作させることが困難である。

　そこで、本発明は、熱応答性が良く、電機子コイルの温度が上昇した場合に的確に焼損を防ぐことができるモータを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明に基づくモータは、軸受を介して回転可能に配置された電機子軸と、上記電機子軸を取り囲むように配置され、上記電機子軸と一体となって回転する複数の電機子コイルと、上記電機子軸を取り囲みつつそれぞれ周方向に互いに離隔するように配置され、上記電機子軸と一体となって回転する複数の電極である複数の整流子と、上記複数の整流子に対して摺動可能であり、上記電機子軸の回転に伴い、上記複数の整流子と順に接触する複数のブラシと、上記複数の整流子の少なくともいずれかにおいて個別に貼り付けられた温度スイッチとを備え、上記複数の整流子のうち上記温度スイッチが貼り付けられているものにおいては、上記整流子と上記電機子コイルとの間の電気的接続が上記温度スイッチを介してのみなされており、上記温度スイッチは、所定温度以下の場合に電流を通す第１状態をとり、上記所定温度を超えた場合に電流を通さない第２状態をとり、上記第１状態と上記第２状態との間は可逆的に切換可能である。

　本発明によれば、電機子コイルの温度は温度スイッチに速やかに伝わることができるので、熱応答性が良く、電機子コイルの温度が上昇した場合に的確に焼損を防ぐことができる。

本発明に基づく実施の形態１におけるモータの断面図である。本発明に基づく実施の形態１におけるモータのブラケットおよびその近傍の部品の正面図である。本発明に基づく実施の形態１におけるモータの電機子およびその近傍の部品の正面図である。本発明に基づく実施の形態１におけるモータに備わる温度スイッチの概念図である。本発明に基づく実施の形態１におけるモータに備わる温度スイッチの断面図である。整流子の個数が３である場合の電機子軸およびその近傍の部品の断面図である。整流子の個数が５である場合の電機子軸およびその近傍の部品の断面図である。整流子の個数が７である場合の電機子軸およびその近傍の部品の断面図である。整流子の個数が３であり、おもりが配置されている場合の電機子軸およびその近傍の部品の断面図である。整流子の個数が５であり、おもりが配置されている場合の電機子軸およびその近傍の部品の断面図である。整流子の個数が７であり、おもりが配置されている場合の電機子軸およびその近傍の部品の断面図である。

　（実施の形態１）
　図１～図３を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるモータについて説明する。モータ１０１の断面を図１に示す。モータ１０１においては、フレーム１１およびブラケット１２によって形成される筐体の中に、回転子である電機子が配置されている。図１では、フレーム１１などは断面で示しているが、回転子である電機子は断面ではなく側方から見た状態をそのまま表示している。電機子は、中心軸として電機子軸１５を含んでいる。電機子は、電機子軸１５と、電機子コイル１４と、整流子２０と、温度スイッチ３０とを含む。電機子が回転する際にはこれらが一体となって回転する。図１におけるブラケット１２およびその近傍の部品を、図１における左側から見たところを図２に示す。図２では電機子を取り去った状態を示している。モータ１０１からブラケット１２およびその近傍の部品を取り去った状態で、図１における右側から見たところを図３に示す。

　図１に示すように、本実施の形態におけるモータ１０１は、軸受１９ａ，１９ｂを介して回転可能に配置された電機子軸１５と、電機子軸１５を取り囲むように配置され、電機子軸１５と一体となって回転する複数の電機子コイル１４と、電機子軸１５を取り囲みつつそれぞれ周方向に互いに離隔するように配置され、電機子軸１５と一体となって回転する複数の電極である複数の整流子２０と、複数の整流子２０に対して摺動可能であり、電機子軸１５の回転に伴い、複数の整流子２０と順に接触する複数のブラシ１７と、複数の整流子２０の少なくともいずれかにおいて個別に貼り付けられた温度スイッチ３０とを備える。複数の整流子２０のうち温度スイッチ３０が貼り付けられているものにおいては、整流子２０と電機子コイル１４との間の電気的接続が温度スイッチ３０を介してのみなされている。各温度スイッチ３０は２つの電極を有する。温度スイッチ３０は、所定温度以下の場合に電流を通す第１状態をとり、前記所定温度を超えた場合に電流を通さない第２状態をとり、前記第１状態と前記第２状態との間は可逆的に切換可能である。すなわち、温度が上がったことによって第２状態になった後で温度が下がれば第１状態に戻りうる。その後で再び温度が上がれば再び第２状態になることができる。温度が変動することで、温度スイッチ３０は、第１状態と第２状態との間を何度でも行き来することができる。

　モータ１０１の電機子は、３つの電機子コイル１４を備える。ここで挙げた電機子コイル１４の数はあくまで一例である。電機子コイル１４の各々に整流子２０が巻線を介して接続されている。ただし、整流子２０のうち温度スイッチ３０が貼り付けられているものに関しては、電機子コイル１４からの巻線は温度スイッチ３０の一方の電極に接続されており、温度スイッチ３０の他方の電極が整流子２０に接合されている。

　ブラシ１７は、ブラシホルダ１８によって保持されていて電機子軸１５の半径方向にスライド可能となっている。ブラシ１７は、電機子軸１５に向かって付勢されている。ブラシ１７は端子２１に電気的に接続されている。

　端子２１は、ブラケット１２によって保持されている。図１に示すように、端子２１は細長い形状である。端子２１の一端はモータ１０１の内部空間に突出しており、他端はブラケット１２の外側に突出している。すなわち、端子２１はブラケット１２を貫通している。なお、軸受１９ａは、ブラケット１２によって保持されている。

　フレーム１１は円筒形であり、フレーム１１とブラケット１２とが組み合わさることによってモータ１０１の筐体が構成されている。フレーム１１の内面には複数の永久磁石１６が固定されている。永久磁石１６は電機子コイル１４からわずかに離隔した状態で近接して電機子に対向する。複数の永久磁石１６は電機子を取り囲む。図１に示すように、フレーム１１のブラケット１２とは反対側の端面の中央には軸受１９ｂが保持されている。

　本実施の形態では、温度スイッチ３０が、複数の整流子２０の少なくともいずれかにおいて個別に貼り付けられており、なおかつ、複数の整流子２０のうち温度スイッチ３０が貼り付けられているものにおいては、整流子２０と電機子コイル１４との間の電気的接続が温度スイッチ３０を介してのみなされているので、電機子コイル１４の温度は温度スイッチ３０に速やかに伝わることができる。この例では、温度スイッチ３０と電機子コイル１４とは巻線によって直接接続されているので、電機子コイル１４の温度は巻線を通じて温度スイッチ３０にほとんど時間遅れなしに伝わることができる。

　モータ１０１の動作中に過電流によるジュール熱で電機子コイル１４の温度が上昇した場合には、その熱がほとんど時間遅れなしに温度スイッチ３０に伝わる。温度スイッチ３０は、所定温度以下の場合に電流を通す第１状態をとるが、前記所定温度を超えた場合に電流を通さない第２状態をとる性質のものであるので、電機子コイル１４から伝わった熱によって温度スイッチ３０の温度が所定温度を超えて上昇した際には温度スイッチ３０は電流を遮断することとなる。整流子２０と電機子コイル１４との間の電気的接続が温度スイッチ３０を介してのみなされているので、温度スイッチ３０が電流を遮断したときには、整流子２０と電機子コイル１４とは電気的に接続されていない状態となり、電機子コイル１４には電流は流れなくなる。こうして、電機子コイル１４における焼損を防ぐことができる。

　さらに、電機子コイル１４と温度スイッチ３０とが電気的接続を介して直接つながっていることにより電機子コイル１４の温度と温度スイッチ３０との間に温度差もほぼ生じないので、温度スイッチ３０における切り替わり条件の設定を的確に行なうことができる。

　以上のように、本実施の形態におけるモータ１０１では、熱応答性が良く、電機子コイル１４の温度が上昇した場合に的確に焼損を防ぐことができる。

　なお、本実施の形態では、温度スイッチ３０を貼り付ける場所を整流子２０にしているが、整流子２０においては他の場所に比べて、電機子コイル１４が形成する磁界の影響が小さいので、温度スイッチ３０の動作が磁界の影響を受けることをなるべく避けることができる。

　図４に示すように、温度スイッチ３０は、互いに表裏をなす２つの面を有し、前記２つの面にそれぞれ外部電極３１を備えるものであることが好ましい。この構成を採用することにより、温度スイッチ３０を整流子２０に貼り付ける際に必要な実装面積を小さく抑えることができる。

　温度スイッチ３０は、バイメタルを用いたものであることが好ましい。その一例を図５に示す。図５は温度スイッチ３０の断面を示す。温度スイッチ３０は上下両面に外部電極３１を備え、内部に空洞を有する。空洞内においては、バイメタル材３３が配置されており、バイメタル材３３の一端は上面の外部電極３１に電気的に接続され、他端には可動接点３５が設けられている。下面の外部電極３１は空洞内に配置された固定接点３４に接続されている。図５に示した状態では、可動接点３５は固定接点３４に当接している。この状態では、温度スイッチ３０の上下両面の外部電極３１，３１間が導通している。すなわち、温度スイッチ３０は電流を通す第１状態にあるといえる。バイメタル材３３の変形の程度に依存して、可動接点３５は固定接点３４から離れたり当接したりすることができる。可動接点３５が固定接点３４から離れた状態では、温度スイッチ３０の上下両面の外部電極３１，３１間は導通していない。すなわち、温度スイッチ３０は電流を通さない第２状態にあるといえる。

　バイメタルを用いた温度スイッチ３０を採用することによって、温度スイッチ３０は、従来知られている有機ＰＴＣ（Positive　Temperature　Coefficient）サーミスタなどの素子に比べて小型にすることができる。したがって、モータ１０１の小型化を図ることができる。

　なお、前記整流子の個数は３であって前記温度スイッチの個数は２であるか、前記整流子の個数は５であって前記温度スイッチの個数は３であるか、前記整流子の個数は７であって前記温度スイッチの個数は４であるかのいずれかであることが好ましい。この構成を採用することにより、最小個数の温度スイッチによって電流を遮断することが可能となる。

　整流子の個数が３である例を図６に示す。電機子軸１５の外周面に整流子２０ａ，２０ｂ，２０ｃが等間隔で配置されている。整流子２０ａ，２０ｂにそれぞれ温度スイッチ３０が貼り付けられている。

　整流子の個数が５である例を図７に示す。電機子軸１５の外周面に整流子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅが等間隔で配置されている。整流子２０ａ，２０ｂ，２０ｃにそれぞれ温度スイッチ３０が貼り付けられている。

　整流子の個数が７である例を図８に示す。電機子軸１５の外周面に整流子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ，２０ｇが等間隔で配置されている。整流子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄにそれぞれ温度スイッチ３０が貼り付けられている。図６～図８に示すように、温度スイッチ３０が貼り付けられている整流子は、連続して隣り合うように配置することが好ましい。このように配置することで、確実に電流の遮断を行なうことが可能となる。

　複数の整流子のうちの一部にのみ温度スイッチ３０を貼り付けたことにより、バランスが悪くなり、回転時に振動が懸念される場合がある。これを防ぐために、以下のような構成を採用してもよい。

　複数の整流子のうち温度スイッチ３０が貼り付けられていないものの少なくともいずれかには、電機子軸１５の回転時のバランスをとるためのおもりが貼り付けられていることが好ましい。図９～図１１には、整流子の個数が３，５，７であって、温度スイッチ３０の個数がそれぞれ２，３，４である場合に、おもり７０が配置されている様子を示している。ここで、おもり７０は温度スイッチ３０とほぼ同じ重さであることが好ましい。このようにおもり７０が設置されることによって、バランスを改善することができる。なお、バランス改善のための方法はこれに限らず他の方法を採用してもよい。

　なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

　１１　フレーム、１２　ブラケット、１４　電機子コイル、１５　電機子軸、１６　永久磁石、１７　ブラシ、１８　ブラシホルダ、１９ａ，１９ｂ　軸受、２０　整流子、２１　端子、３０　温度スイッチ、３１　外部電極、３３　バイメタル材、３４　固定接点、３５　可動接点、７０　おもり、１０１　モータ。

Claims

　軸受を介して回転可能に配置された電機子軸と、
　前記電機子軸を取り囲むように配置され、前記電機子軸と一体となって回転する複数の電機子コイルと、
　前記電機子軸を取り囲みつつそれぞれ周方向に互いに離隔するように配置され、前記電機子軸と一体となって回転する複数の電極である複数の整流子と、
　前記複数の整流子に対して摺動可能であり、前記電機子軸の回転に伴い、前記複数の整流子と順に接触する複数のブラシと、
　前記複数の整流子の少なくともいずれかにおいて個別に貼り付けられた温度スイッチとを備え、
　前記複数の整流子のうち前記温度スイッチが貼り付けられているものにおいては、前記整流子と前記電機子コイルとの間の電気的接続が前記温度スイッチを介してのみなされており、
　前記温度スイッチは、所定温度以下の場合に電流を通す第１状態をとり、前記所定温度を超えた場合に電流を通さない第２状態をとり、前記第１状態と前記第２状態との間は可逆的に切換可能である、モータ。
　前記温度スイッチは、互いに表裏をなす２つの面を有し、前記２つの面にそれぞれ外部電極を備える、請求項１に記載のモータ。
　前記温度スイッチは、バイメタルを用いたものである、請求項１または２に記載のモータ。
　前記整流子の個数は３であって前記温度スイッチの個数は２であるか、
　前記整流子の個数は５であって前記温度スイッチの個数は３であるか、
　前記整流子の個数は７であって前記温度スイッチの個数は４であるかのいずれかである、請求項１から３のいずれかに記載のモータ。
　前記複数の整流子のうち前記温度スイッチが貼り付けられていないものの少なくともいずれかには、前記電機子軸の回転時のバランスをとるためのおもりが貼り付けられている、請求項１から４のいずれかに記載のモータ。