WO2022050179A1 - 電動機 - Google Patents

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WO2022050179A1
WO2022050179A1 PCT/JP2021/031443 JP2021031443W WO2022050179A1 WO 2022050179 A1 WO2022050179 A1 WO 2022050179A1 JP 2021031443 W JP2021031443 W JP 2021031443W WO 2022050179 A1 WO2022050179 A1 WO 2022050179A1
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WO
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brush
commutator
motor
electric motor
winding
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Application number
PCT/JP2021/031443
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English (en)
French (fr)
Inventor
圭策 中野
貴洋 浅野
和雄 遠矢
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current

Definitions

  • This disclosure relates to motors.
  • Motors are widely used in the field of electrical equipment such as automobiles, as well as in the field of household electrical appliances such as vacuum cleaners.
  • an electric motor is used to drive a cooling fan such as a radiator.
  • the commutator motor includes, for example, a stator, a rotor that is rotated by the magnetic force of the stator, a commutator attached to the rotating shaft of the rotor, and a brush that is in sliding contact with the commutator.
  • the commutator in an electric motor has a plurality of commutator pieces provided so as to surround the rotating shaft of the rotor. A winding wound around the core of the rotor is connected to each of the plurality of commutator pieces.
  • an electric motor capable of detecting the rotation speed of the electric motor based on the current ripple of this current waveform has been proposed.
  • this type of motor a technique for detecting the rotation speed of the motor by increasing the amplitude of the current ripple has been proposed in order to improve the detection accuracy of the rotation speed (for example, Patent Documents 1 and 2).
  • the rotation speed of the motor can be controlled by detecting the rotation speed of the motor based on the current ripple of the current waveform.
  • the present disclosure has been made to solve such a problem, and an electric motor capable of accurately controlling the rotation speed of the electric motor without shortening the life of the electric motor even if the output of the electric motor is increased.
  • the purpose is to provide.
  • one aspect of the electric motor according to the present disclosure is an electric motor that detects the rotation speed of the electric motor from the waveform of the current flowing through the electric motor, along the rotating shaft and the circumferential direction of the rotating shaft.
  • a commutator having a plurality of commutator pieces provided, a commutator attached to the rotating shaft, a brush in contact with the plurality of commutator pieces, a core attached to the rotating shaft, and a core wound around the core.
  • the motor comprises a winding connected to at least one of the commutator pieces, the motor is driven by an input voltage of 48 V or less, and two adjacent commutator pieces of the commutator pieces are adjacent to each other.
  • the rotation speed of the motor can be controlled accurately without shortening the life of the motor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an electric motor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the motor according to the embodiment of the line II-II of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state in which the windings between the commutator pieces are energized and a state in which the windings between the commutator pieces are short-circuited in the electric motor according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a current waveform of the electric motor according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the impedance of the winding between the commutator pieces and the rotation speed controllability of the motor and the life of the motor with respect to the contact resistance between the brush and the commutator piece.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the electric motor 1 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the motor 1 in line II-II of FIG. Note that the frame 50 is not shown in FIG. Further, in FIG. 2, the black arrow indicates the flow of electric current.
  • the electric motor 1 is a commutator motor with a brush, and includes a stator 10 (stator), a rotor 20 (rotor) that is rotated by the magnetic force of the stator 10, and a commutator 30 attached to the rotating shaft 21 of the rotor 20.
  • a brush 40 in contact with the commutator 30 and a frame 50 for accommodating the stator 10 and the rotor 20 are provided.
  • the electric motor 1 in the present embodiment is a kind of a direct current electric motor (DC motor) driven by direct current, and a magnet 11 is used as the stator 10 and an armature having a winding 22 is used as the rotor 20. There is.
  • DC motor direct current electric motor
  • the motor 1 is driven by an input voltage of 48 V or less.
  • the electric motor 1 is a low voltage and high output motor (large current type motor) having an input voltage of 12 V or more and 25 V or less and a maximum output of 200 W or more.
  • Such an electric motor 1 is used for a vehicle such as a two-wheeled vehicle or a four-wheeled vehicle, for example.
  • the electric motor 1 is a vehicle motor having an input voltage of 13 V.
  • the motor 1 is not limited to vehicles, but can also be used for electric blowers and the like mounted on vacuum cleaners and the like. Hereinafter, each component of the motor 1 will be described in detail.
  • the stator 10 generates a magnetic force acting on the rotor 20.
  • the stator 10 constitutes a magnetic circuit together with the rotor 20 which is an armature.
  • the stator 10 is configured such that N poles and S poles are alternately present on the air gap surface with the rotor 20 along the circumferential direction.
  • the stator 10 is composed of a plurality of magnets 11.
  • the magnet 11 is a field magnet that creates a magnetic flux for generating torque, and is, for example, a permanent magnet having an S pole and an N pole.
  • Each of the plurality of magnets 11 has an arc shape having a substantially constant thickness when viewed from above.
  • the plurality of magnets 11 are fixed to the frame 50.
  • the plurality of magnets 11 are arranged so that the north poles and the south poles are alternately and evenly present along the circumferential direction of the rotating shaft 21. Therefore, the direction of the main magnetic flux generated by the stator 10 (magnet 11) is the direction intersecting the direction of the axis C of the rotating shaft 21.
  • the plurality of magnets 11 are arranged so as to surround the rotor 20 at equal intervals along the circumferential direction, and are located on the outer peripheral side of the rotor core 23 in the rotor 20 in the radial direction.
  • a plurality of magnets 11 on which the N pole and the S pole are magnetized are arranged so that the center of the magnetic pole of the N pole and the center of the magnetic pole of the S pole are evenly spaced along the circumferential direction.
  • the rotor 20 has a rotating shaft 21, and rotates about the axis C of the rotating shaft 21.
  • the rotor 20 generates a magnetic force acting on the stator 10.
  • the direction of the main magnetic flux generated by the rotor 20 is a direction orthogonal to the direction of the axis C of the rotating shaft 21.
  • the rotor 20 is an armature and has a winding 22 and a rotor core 23.
  • the rotor 20 is an inner rotor and is arranged inside the stator 10.
  • the rotor core 23 of the rotor 20 is surrounded by a plurality of magnets 11 constituting the stator 10.
  • the rotor 20 is arranged with the stator 10 via an air gap. Specifically, there is a minute air gap between the outer peripheral surface of the rotor core 23 and the inner surface of each magnet 11.
  • the rotating shaft 21 is a shaft having an axis C, and is a long rod-shaped member such as a metal rod.
  • the axis C of the rotating shaft 21 is the center when the rotor 20 rotates.
  • the longitudinal direction (stretching direction) of the rotating shaft 21 is the direction of the axial center C (axial center direction).
  • the rotating shaft 21 is rotatably supported by a bearing such as a ball bearing.
  • a bearing such as a ball bearing.
  • the first end 21a which is one end of the rotating shaft 21, is supported by a first bearing held by a bracket fixed to the frame 50 or directly held by the frame 50.
  • the second end portion 21b which is the other end portion of the rotating shaft 21, is supported by a second bearing held by a bracket fixed to the frame 50 or directly held by the frame 50.
  • the bracket is fixed to the frame 50 so as to cover the opening of the frame 50, for example.
  • the rotating shaft 21 and the rotor 20 are fixed to each other. That is, the rotary shaft 21 is attached to the rotor 20, and the rotor core 23 is attached to the rotary shaft 21. Specifically, the rotary shaft 21 is fixed to the rotor core 23 in a state of penetrating the rotor core 23. For example, the rotary shaft 21 is fixed to the rotor core 23 by press-fitting or shrink-fitting the rotary shaft 21 into the central hole of the rotor core 23.
  • the winding 22 is an armature winding of the rotor 20 which is an armature, and is wound around the rotor core 23. Specifically, the winding 22 is wound around the rotor core 23 so as to generate a magnetic force acting on the stator 10 when an electric current flows.
  • the winding 22 is a winding coil having a coil portion 22a (rotor coil). Specifically, a part of the electric wire constituting the winding 22 is wound around the rotor core 23 as the coil portion 22a.
  • the coil portion 22a of the winding 22 is a portion in which the electric wire constituting the winding 22 is wound around the teeth of the rotor core 23 via the insulator 24.
  • the electric wire constituting the winding 22 is, for example, an insulating coated wire, and has a conductive wire (core wire) made of a conductive material such as copper and an insulating film covering the conductive wire.
  • the winding 22 may be a molded coil.
  • the insulator 24 is made of an insulating resin material or the like. A plurality of insulators 24 are provided so as to cover each of the plurality of teeth of the rotor core 23.
  • the winding 22 is electrically connected to the commutator 30. Specifically, the winding 22 is connected to at least one of the plurality of commutator pieces 31 of the commutator 30. A current flows through the winding 22 through the commutator piece 31 in contact with the brush 40. As an example, the winding 22 is welded to the commutator piece 31 by welding or the like by being locked to a hook portion formed in the commutator piece 31 or being embedded in a groove provided in the commutator piece 31. There is. Further, the winding 22 may be composed of a continuous single electric wire having a plurality of coil portions 22a formed continuously over the plurality of commutator pieces 31, each of which may be composed of a plurality of commutators. It may be composed of a plurality of electric wires having a coil portion 22a provided for each piece 31. That is, one winding 22 has one or more coil portions 22a.
  • the rotor core 23 (rotor core) is an armature core around which the winding 22 is wound.
  • the rotor core 23 is a laminated body in which a plurality of electromagnetic steel sheets are laminated in the direction of the axis C of the rotating shaft 21.
  • the rotor core 23 is not limited to a laminated body of electrical steel sheets, but may be a bulk body made of a magnetic material.
  • the rotor core 23 has a plurality of teeth.
  • the plurality of teeth are magnetic poles, and a current flows through the winding 22 wound around the teeth to generate a magnetic force.
  • the plurality of teeth project outward in the radial direction of the rotating shaft 21, and are present at equal intervals along the rotating direction of the rotating shaft 21. That is, the plurality of teeth extend radially in the direction orthogonal to the axis C of the rotation axis 21.
  • a coil portion 22a of the winding 22 is arranged in a slot between two adjacent teeth.
  • the commutator 30 is attached to the rotating shaft 21. Therefore, the commutator 30 rotates together with the rotating shaft 21 as the rotor 20 rotates. In the present embodiment, the commutator 30 is attached to the first end 21a of the rotating shaft 21. The commutator 30 attached to the rotating shaft 21 may be a part of the rotor 20.
  • the commutator 30 has a plurality of commutator pieces 31 (commutator segments) provided along the circumferential direction of the rotation shaft 21. Specifically, the plurality of commutator pieces 31 are arranged in an annular shape along the rotation direction of the rotation shaft 21 so as to surround the rotation shaft 21. In this embodiment, the commutator 30 has 24 commutator pieces 31.
  • the shape of each commutator piece 31 is a long member extending in the longitudinal direction of the rotating shaft 21.
  • Each of the plurality of commutator pieces 31 is a conductive terminal made of a metal material such as copper, and is electrically connected to the winding 22 of the rotor 20.
  • the plurality of commutator pieces 31 are isolated from each other by insulation, but the plurality of commutator pieces 31 are electrically connected by the winding 22 of the rotor 20.
  • two adjacent commutator pieces 31 are electrically connected by a winding 22.
  • the coil portion 22a of the winding 22 exists in the current path between the two commutator pieces 31 connected by the winding 22.
  • the commutator 30 is a molded commutator, and a plurality of commutator pieces 31 are resin-molded.
  • the plurality of commutator pieces 31 are embedded in the mold resin 32 so that the surface is exposed.
  • the brush 40 is in contact with the commutator 30. Specifically, the brush 40 is in contact with a plurality of commutator pieces 31 of the commutator 30. As the commutator 30 rotates due to the rotation of the rotation shaft 21, the brush 40 continues to be in contact with all the commutator pieces 31 in sequence. Further, the brush 40 momentarily comes into contact with one or two commutator pieces 31 while the commutator 30 is rotating.
  • a brush spring such as a coil spring or a torsion spring is arranged in the electric motor 1 in order to press the brush 40 against the commutator 30.
  • the brush spring applies pressure to the brush 40 by utilizing the elasticity of the spring.
  • the surface of the tip of the brush 40 is always in contact with the commutator piece 31 of the commutator 30 under the pressing force from the brush spring. That is, the brush 40 is in sliding contact with the commutator piece 31 by the brush spring, and the surface on which the brush 40 and the commutator piece 31 slide is the sliding surface.
  • the brush 40 is a power supply brush that supplies electric power to the rotor 20 by coming into contact with the commutator piece 31. Therefore, the brush 40 is connected to an electric wire through which a current supplied from a power source flows.
  • the brush 40 is electrically connected to an electrode terminal that receives an input voltage from a power source via an electric wire such as a pigtail wire.
  • the other end of the pigtail wire whose one end is connected to the electrode terminal is connected to the rear end of the brush 40, and the brush 40 comes into contact with the commutator piece 31 to cause the pigtail.
  • the armature current supplied to the brush 40 via the wire flows to the winding 22 of the rotor 20 via the commutator piece 31.
  • the power source is an external power source existing outside the motor 1, and supplies a predetermined input voltage to the motor 1.
  • the power supply supplies the motor 1 with an input voltage of 13V.
  • the brush 40 is a conductive conductor.
  • the brush 40 is a long, substantially rectangular parallelepiped carbon brush made of carbon.
  • the brush 40 is a metallic graphitic brush containing a metal such as copper and carbon.
  • the brush 40 is a carbon brush containing copper.
  • the copper content in the brush 40 is preferably 50% by weight or more and 60% by weight or less.
  • the contact resistance between the brush 40 and the commutator piece 31 can be reduced.
  • the brush 40 exceeds 60% by weight, the sparks generated between the brush 40 and the commutator piece 31 increase, and the life of the brush 40 is shortened. That is, the life of the motor 1 is shortened.
  • the brush 40 contains an additive of SiO 2 or SiC of 0.1% by weight or more and 3% by weight or less.
  • Such a brush 40 can be produced by crushing a kneaded product obtained by kneading graphite powder, copper powder, a binder resin and a curing agent, compression molding into a rectangular parallelepiped, and firing.
  • the brush 40 is preferably a metallic graphite brush fired at a low temperature of 500 ° C. or lower.
  • the brush 40 can be softened and made rubbery as compared with the case where the brush 40 is fired at a temperature exceeding 500 ° C. can.
  • the seating property of the brush 40 with respect to the commutator piece 31 is improved, and even if the copper content is increased as described above, the generation of sparks can be suppressed. Therefore, the life of the motor 1 can be extended.
  • the length of the rotating shaft 21 of the brush 40 in the direction of the axis C is preferably 2 times or more and 4 times or less the length in the sliding direction of the brush 40.
  • the height of the front end surface of the brush 40 on the commutator piece 31 side is twice or more and four times or less the length of the brush 40 in the direction (diametrical direction) orthogonal to the axis C of the rotating shaft 21. It would be nice to have it.
  • a pair of brushes 40 are provided.
  • the pair of brushes 40 are arranged to face each other so as to sandwich the commutator 30. That is, the pair of brushes 40 are arranged line-symmetrically about the axis C of the rotation axis 21.
  • Each of the pair of brushes 40 is in contact with the commutator piece 31 of the commutator 30 in a direction (radial direction) orthogonal to the axis C of the rotation axis 21. That is, the armature current is supplied to the commutator piece 31 from each of the pair of brushes 40 via the sliding surface of the brush 40 and the commutator piece 31.
  • Each brush 40 is configured so that there is a state in which it is in contact with two adjacent commutator pieces 31. That is, the length of the width of the brush 40 in the rotation direction of the rotor 20 is larger than the length of the distance between the two adjacent commutator pieces 31. As a result, each brush 40 comes into contact with the two adjacent commutator pieces 31 so as to short-circuit the winding 22 existing in the current path between the two commutator pieces 31.
  • the brush 40 may be stored in the brush holder. In this case, the brush 40 slides in the brush holder.
  • the frame 50 is a housing (case) for accommodating parts constituting the motor 1 such as the stator 10 and the rotor 20.
  • the frame 50 has, for example, a cylindrical portion having a cylindrical shape.
  • the frame 50 is made of a metal material such as aluminum.
  • the stator 10 (magnet 11) is attached to the frame 50 along the inner peripheral surface of the frame 50.
  • the frame 50 may have a bottomed cylindrical shape having a bottom portion.
  • the current supplied to the brush 40 flows as an armature current (drive current) through the commutator 30 to the winding 22 of the rotor 20, so that a magnetic flux is generated in the rotor 20. do.
  • the magnetic force generated by the interaction between the magnetic flux generated in the rotor 20 and the magnetic flux generated from the stator 10 becomes the torque for rotating the rotor 20.
  • the direction in which the current flows is switched depending on the positional relationship when the commutator piece 31 and the brush 40 are in contact with each other. That is, commutation occurs.
  • the energized state shown in FIG. 3A and the short-circuited state shown in FIG. 3B are repeated, and as shown in FIG. 4, the waveform of the current flowing through the motor 1 (current waveform).
  • Current ripple occurs at a frequency caused by the number of commutator pieces 31.
  • the top of the peak of the current waveform corresponds to the energized state shown in (a) of FIG. 3, and the bottom of the valley of the current waveform corresponds to the short-circuited state shown in (b) of FIG. There is.
  • the commutator 30 since the commutator 30 has 24 commutator pieces 31, short-circuiting and energization of the winding 22 are repeated to obtain a 24th-order current waveform. That is, every time the valley of the current waveform appears 24 times, the rotation shaft 21 makes one revolution (rotation by 360 °).
  • the electric motor 1 has a function of detecting the rotation speed of the electric motor 1 from the waveform of the current flowing through the electric motor 1. Specifically, the motor 1 can detect the rotation speed of the motor 1 based on the current ripple of the current waveform.
  • the commutator motor can detect the rotation speed of the motor based on the current ripple of the current waveform of the motor. This makes it possible to control the rotation speed of the electric motor. That is, by accurately detecting the rotation speed of the electric motor, the rotation speed of the electric motor can be accurately controlled.
  • the magnitude of the current ripple of the current waveform of the motor shown in FIG. 4 is determined by the impedance (Z) of the winding existing in the current path between two adjacent commutator pieces.
  • the impedance of the winding is the impedance value of the coil portion of the winding.
  • the impedance of the winding increases as the resistance value of the winding increases, increases as the inductance of the coil portion of the winding increases, and increases as the number of turns of the coil portion of the winding increases.
  • the impedance of this winding is a signal component of the current waveform of the motor, and affects the difference between the top of the peak and the bottom of the valley of the current waveform shown in FIG. That is, the impedance of the winding affects the magnitude of the current ripple.
  • the winding is thickened to reduce the resistance value or the coil part of the winding. It is necessary to reduce the number of turns. In this case, the impedance (1 coil impedance) of the coil portion of the winding existing in the current path between the two adjacent commutator pieces becomes small, and the amplitude of the current ripple of the current waveform becomes small.
  • the contact resistance is It was found that the value is larger than the impedance of the coil portion of the winding (1 coil impedance) existing in the current path between two adjacent commutator pieces.
  • the contact resistance between the brush and the commutator piece (contact resistance of the brush) varies greatly depending on the wear of the commutator piece, the step, or the coating.
  • the contact resistance (R) became larger than the initial value and varied from commutator piece to commutator piece.
  • the surface of the commutator piece after the temperature endurance test becomes a rough surface due to unevenness and steps of about 10 ⁇ m, and the magnitude of contact resistance (actual measurement) between the brush and the commutator piece is the winding.
  • the current flowing through the wire was 10 A, it was 54 m ⁇ . That is, the magnitude of the contact resistance between the brush and the commutator piece is about twice as large as the above initial value (27 m ⁇ ).
  • the contact resistance between the brush and the commutator piece varied greatly among the commutator pieces.
  • the contact resistance (R) between the brush and the commutator piece is larger than the value of one coil impedance, and the value varies from commutator piece to commutator piece.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the impedance of the winding between the commutator pieces and the rotation speed controllability of the motor and the life of the motor with respect to the contact resistance between the brush and the commutator piece.
  • the rotation speed controllability of the motor was determined by whether or not the rotation speed can be controlled both in the initial stage and when the motor is continuously driven.
  • the rotation speed of the motor can be controlled by increasing the magnitude of the impedance Z, which is a signal component, to more than twice the magnitude of the contact resistance R, which is a noise component. This is because when the rotation speed of the motor is detected, the impedance Z is set to twice or more the contact resistance R (2 ⁇ Z / R), so that a stable current ripple can be obtained and the rotation speed is controlled stably. Because I was able to do.
  • the impedance Z with respect to the contact resistance R is preferably twice or more. Further, in order to control the rotation speed more accurately, the impedance Z with respect to the contact resistance R is preferably 2.5 times or more.
  • the impedance Z is the magnitude (
  • the impedance Z with respect to the contact resistance R is preferably 4 times or less (Z / R ⁇ 4). Further, from the viewpoint of further suppressing the decrease in the life of the motor, the impedance Z with respect to the contact resistance R is preferably 3.5 times or less (Z / R ⁇ 3.5).
  • the motor 1 is a low-voltage drive motor driven by an input voltage of 48 V or less, and is a commutator piece 31 of two adjacent commutator pieces 31 among a plurality of commutator pieces 31.
  • Z is the impedance of the winding 22 between them
  • R is the contact resistance between the brush 40 and the commutator piece 31 in contact with the brush 40 among the plurality of commutator pieces 31.
  • the relationship of 2 ⁇ Z / R ⁇ 4 is satisfied.
  • the rotation speed of the motor can be controlled with high accuracy without shortening the life of the motor.
  • the motor 1 according to the present embodiment is driven by a low voltage having an input voltage of 25 V or less and a maximum output of 200 W or more.
  • the brush 40 is a carbon brush containing copper, and the copper content in the brush 40 is 50% by weight or more.
  • the contact resistance R between the brush 40 and the commutator piece 31 can be reduced.
  • the relational expression of 2 ⁇ Z / R ⁇ 4 can be easily satisfied. Can be configured.
  • the copper content in the brush 40 is preferably 60% by weight or less.
  • the length in the direction of the axis C of the rotating shaft 21 of the brush 40 is preferably twice or more the length in the sliding direction of the brush 40.
  • the contact area between the brush 40 and the commutator piece 31 can be increased, so that the contact resistance between the brush 40 and the commutator piece 31 can be reduced.
  • the relational expression of 2 ⁇ Z / R ⁇ 4 can be easily satisfied.
  • the motor 1 can be designed.
  • the length of the rotating shaft 21 of the brush 40 in the direction of the axis C is preferably 4 times or less the length of the brush 40 in the sliding direction.
  • the brush 40 contains an additive of SiO 2 or SiC of 0.1% by weight or more and 3% by weight or less.
  • SiO 2 or SiC functions as a grinding agent for cleaning the surface of the commutator piece 31. Therefore, since the brush 40 contains SiO 2 or SiC, it is possible to suppress the formation of irregularities or steps on the surface of the commutator piece 31 due to the sliding contact between the brush 40 and the commutator piece 31. .. As a result, it is possible to suppress a decrease in the contact area between the brush 40 and the commutator piece 31, and thus it is possible to suppress an increase in the contact resistance between the brush 40 and the commutator piece 31. As a result, the current ripple of the current waveform is stabilized, and the accuracy of the rotation speed control is improved.
  • the number of brushes 40 is two, but the number is not limited to this.
  • the number of brushes 40 may be only one, or may be three or more.
  • the electric motor 1 may have an auxiliary brush in addition to the brush 40 which is an energizing brush.
  • the stator 10 is composed of the magnet 11, but the stator 10 is not limited to this.
  • the stator 10 may be composed of a stator core and windings wound around the stator core.
  • the rotor 20 has a core, but the rotor 20 is not limited to this. That is, the motor 1 in the above embodiment can also be applied to a coreless motor having no core.
  • the electric motor 1 in the above embodiment can be applied to a coreless motor which is a flat flat motor in which the magnetic fluxes of the stator 10 and the rotor 20 are generated in the direction of the axis C of the rotating shaft 21.
  • the present disclosure can be used for various products including an electric motor that detects the rotation speed and controls the rotation speed.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)
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Abstract

電動機に流れる電流の波形から電動機の回転数を検知する電動機（１）であって、回転軸（２１）と、回転軸（２１）の周方向に沿って設けられた複数の整流子片（３１）を有し、回転軸（２１）に取り付けられた整流子（３０）と、複数の整流子片（３１）に接するブラシ（４０）と、回転軸（２１）に取り付けられたロータコア（２３）と、ロータコア（２３）に巻き回され、複数の整流子片（３１）の少なくとも一つに接続された巻線（２２）と、を備え、電動機（１）は、４８Ｖ以下の入力電圧により駆動し、電動機（１）の回転数を検知するときにおいて、複数の整流子片（３１）のうち隣接する２つの整流子片（３１）の間の巻線（２２）のインピーダンスをＺとし、ブラシ（４０）と複数の整流子片（３１）のうちブラシ（４０）に接する整流子片（３１）との間の接触抵抗をＲとすると、２≦Ｚ／Ｒ≦４である。

Description

電動機
　本開示は、電動機に関する。
　電動機は、電気掃除機等の家庭用電気機器分野をはじめとして、自動車等の電装分野にも広く用いられている。例えば、二輪自動車又は四輪自動車等の車両には、ラジエータ等の冷却ファンを駆動するために電動機が用いられている。
　電動機としては、ブラシを用いる整流子電動機（整流子モータ）、及び、ブラシを用いないブラシレス電動機が知られている。このうち、整流子電動機は、例えば、ステータと、ステータの磁力によって回転するロータと、ロータの回転軸に取り付けられた整流子と、整流子に摺接するブラシとを備える。
　整流子電動機における整流子は、ロータの回転軸を囲むように設けられた複数の整流子片を有する。複数の整流子片の各々には、ロータが有するコアに巻回された巻線が接続されている。
　整流子電動機では、隣接する２つの整流子片に跨ってブラシが接触することにより、隣接する２つの整流子片間の巻線が短絡し、電機子であるロータの電機子抵抗が一時的に低下する。これにより、電動機に流れる電流の波形に電流リプルが生じる。この電流リプルは、整流子片の数に起因して発生する。このように、整流子電動機では、ロータが回転することで整流子片の数に起因した周波数をもつ電流リプルを有する電流波形を得ることができる。
　そこで、従来、この電流波形の電流リプルに基づいて電動機の回転数を検知できる電動機が提案されている。例えば、この種の電動機として、回転数の検知精度を高めるために、電流リプルの振幅を増加させて電動機の回転数を検知する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。
特許第５０２６９４９号公報 特許第６４８５０４６号公報
　このように、電流波形の電流リプルに基づいて電動機の回転数を検知することで、電動機の回転数制御を行うことができる。
　しかしながら、従来の技術では、電動機を高出力化すると、電流波形の電流リプルが乱れて電動機の回転数を正しく検知することができず、所望の回転数制御を行うことができない場合がある。
　また、電動機を高出力化すると、ブラシと整流子片との間にスパークが発生しやすくなり、ブラシの寿命が低下する。つまり、電動機の寿命が低下する。
　本開示は、このような課題を解決するためになされたものであり、電動機を高出力化しても、電動機の寿命を低下させることなく、電動機の回転数制御を精度良く行うことができる電動機を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示に係る電動機の一態様は、電動機に流れる電流の波形から電動機の回転数を検知する電動機であって、回転軸と、前記回転軸の周方向に沿って設けられた複数の整流子片を有し、前記回転軸に取り付けられた整流子と、前記複数の整流子片に接するブラシと、前記回転軸に取り付けられたコアと、前記コアに巻き回され、前記複数の整流子片の少なくとも一つに接続された巻線と、を備え、前記電動機は、４８Ｖ以下の入力電圧により駆動し、前記複数の整流子片のうち隣接する２つの整流子片の間の前記巻線のインピーダンスをＺとし、前記ブラシと前記複数の整流子片のうち前記ブラシに接する整流子片との間の接触抵抗をＲとすると、前記電動機の回転数を検知するときに、２≦Ｚ／Ｒ≦４の関係を満たす。
　本開示によれば、電動機を高出力化しても、電動機の寿命を低下させることなく、電動機の回転数制御を精度良く行うことができる。
図１は、実施の形態に係る電動機の断面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における実施の形態に係る電動機の断面図である。 図３は、実施の形態に係る電動機において、整流子片間の巻線が通電する状態と整流子片間の巻線が短絡する状態とを示す図である。 図４は、実施の形態に係る電動機の電流波形の一例を示す図である。 図５は、ブラシと整流子片と間の接触抵抗に対する整流子片間の巻線のインピーダンスと、電動機の回転数制御性及び電動機の寿命との関係を示す図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本開示の一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であって本開示を限定する主旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化する。
　（実施の形態）
　まず、実施の形態に係る電動機１の全体の構成について、図１及び図２を用いて説明する。図１は、実施の形態に係る電動機１の断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における電動機１の断面図である。なお、図２では、フレーム５０は、図示されていない。また、図２において、黒矢印は、電流の流れを示している。
　電動機１は、ブラシ付きの整流子電動機であり、ステータ１０（固定子）と、ステータ１０の磁力により回転するロータ２０（回転子）と、ロータ２０の回転軸２１に取り付けられた整流子３０と、整流子３０に接するブラシ４０と、ステータ１０及びロータ２０を収納するフレーム５０とを備える。
　本実施の形態における電動機１は、直流により駆動する直流電動機（ＤＣモータ）の一種であり、ステータ１０として磁石１１が用いられているとともに、ロータ２０として巻線２２を有する電機子が用いられている。
　また、本実施の形態において、電動機１は、４８Ｖ以下の入力電圧により駆動する。具体的には、電動機１は、入力電圧が１２Ｖ以上２５Ｖ以下で最大出力が２００Ｗ以上の低電圧高出力のモータ（大電流型モータ）である。このような電動機１は、例えば、二輪自動車又は四輪自動車等の車両に用いられる。一例として、電動機１は、入力電圧が１３Ｖの車両用モータである。なお、電動機１は、車両用に限るものではなく、電気掃除機等に搭載される電動送風機等にも用いることができる。以下、電動機１の各構成部材について詳細に説明する。
　ステータ１０は、ロータ２０に作用する磁力を発生させる。ステータ１０は、電機子であるロータ２０とともに磁気回路を構成している。ステータ１０は、周方向に沿ってロータ２０とのエアギャップ面にＮ極とＳ極とが交互に存在するように構成されている。本実施の形態において、ステータ１０は、複数の磁石１１によって構成されている。磁石１１は、トルクを発生するための磁束を作る界磁であり、例えばＳ極及びＮ極を有する永久磁石（マグネット）である。複数の磁石１１の各々は、上面視において、厚さが略一定の円弧形状である。複数の磁石１１は、フレーム５０に固定されている。
　複数の磁石１１は、回転軸２１の周方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に均等に存在するように配置されている。したがって、ステータ１０（磁石１１）が発生する主磁束の向きは、回転軸２１の軸心Ｃの方向と交差する方向である。本実施の形態において、複数の磁石１１は、ロータ２０を囲むようにして周方向に沿って等間隔で配置されており、ロータ２０におけるロータコア２３の径方向の外周側に位置している。具体的には、Ｎ極及びＳ極が着磁された複数の磁石１１が、Ｎ極の磁極中心とＳ極の磁極中心とが周方向に沿って等間隔となるように配置されている。
　ロータ２０は、回転軸２１を有しており、回転軸２１の軸心Ｃを中心として回転する。ロータ２０は、ステータ１０に作用する磁力を発生させる。本実施の形態において、ロータ２０が発生する主磁束の向きは、回転軸２１の軸心Ｃの方向と直交する方向である。
　また、ロータ２０は、電機子であり、巻線２２及びロータコア２３を有する。本実施の形態において、ロータ２０は、インナーロータであり、ステータ１０の内側に配置されている。具体的には、ロータ２０のロータコア２３は、ステータ１０を構成する複数の磁石１１に囲まれている。また、ロータ２０は、ステータ１０とエアギャップを介して配置されている。具体的には、ロータコア２３の外周面と各磁石１１の内面との間には微小なエアギャップが存在する。
　回転軸２１は、軸心Ｃを有するシャフトであり、金属棒等の長尺状の棒状部材である。回転軸２１の軸心Ｃは、ロータ２０が回転する際の中心となる。回転軸２１の長手方向（延伸方向）は、軸心Ｃの方向（軸心方向）である。
　回転軸２１は、ボールベアリング等の軸受けによって回転自在に支持されている。詳細は図示されていないが、例えば、回転軸２１の一方の端部である第１端部２１ａは、フレーム５０に固定されたブラケットに保持又はフレーム５０に直接保持された第１軸受けに支持されている。また、回転軸２１の他方の端部である第２端部２１ｂは、フレーム５０に固定されたブラケットに保持又はフレーム５０に直接保持された第２軸受けに支持されている。ブラケットは、例えば、フレーム５０の開口部を覆うようにしてフレーム５０に固定される。
　回転軸２１とロータ２０とは互いに固定されている。つまり、回転軸２１は、ロータ２０に取り付けられており、ロータコア２３は、回転軸２１に取り付けられている。具体的には、回転軸２１は、ロータコア２３を貫通する状態でロータコア２３に固定されている。例えば、回転軸２１は、ロータコア２３の中心孔に回転軸２１を圧入したり焼き嵌めしたりすることでロータコア２３に固定されている。
　巻線２２は、電機子であるロータ２０の電機子巻線であり、ロータコア２３に巻き回されている。具体的には、巻線２２は、電流が流れることでステータ１０に作用する磁力を発生するようにロータコア２３に巻き回されている。
　巻線２２は、コイル部２２ａ（ロータコイル）を有する巻線コイルである。具体的には、巻線２２を構成する電線の一部は、コイル部２２ａとして、ロータコア２３に巻回されている。本実施の形態において、巻線２２のコイル部２２ａは、巻線２２を構成する電線がインシュレータ２４を介してロータコア２３のティースに巻回された部分である。巻線２２を構成する電線は、例えば絶縁被覆線であり、銅等の導電材料からなる導電線（芯線）と、この導電線を被膜する絶縁膜とを有する。なお、巻線２２は、成形コイルであってもよい。インシュレータ２４は、絶縁樹脂材料等によって構成されている。インシュレータ２４は、ロータコア２３の複数のティースの各々を覆うように複数設けられている。
　また、巻線２２は、整流子３０と電気的に接続されている。具体的には、巻線２２は、整流子３０の複数の整流子片３１の少なくとも一つに接続されている。巻線２２には、ブラシ４０が接する整流子片３１を介して電流が流れる。一例として、巻線２２は、整流子片３１に形成されたフック部に係止されたり整流子片３１に設けられた溝に埋設されたりして溶接等によって整流子片３１に溶着接合されている。また、巻線２２は、複数の整流子片３１にわたって連続して形成された、複数のコイル部２２ａを有する一続きの１本の電線によって構成されていてもよいし、各々が複数の整流子片３１の間ごとに設けられた、コイル部２２ａを有する複数の電線によって構成されていてもよい。つまり、１つの巻線２２は、１つ又は２つ以上のコイル部２２ａを有する。
　ロータコア２３（回転子鉄心）は、巻線２２が巻回される電機子コアである。本実施の形態において、ロータコア２３は、複数の電磁鋼板が回転軸２１の軸心Ｃの方向に積層された積層体である。なお、ロータコア２３は、電磁鋼板の積層体に限るものではなく、磁性材料によって構成されたバルク体であってもよい。
　ロータコア２３は、複数のティースを有する。複数のティースは、磁極であり、ティースに巻回された巻線２２に電流が流れることで磁力を発生させる。複数のティースは、回転軸２１の径方向外側に向かって突出しており、回転軸２１の回転方向に亘って等間隔に存在している。つまり、複数のティースは、回転軸２１の軸心Ｃと直交する方向に放射状に延在している。隣り合う２つのティースの間のスロットには、巻線２２のコイル部２２ａが配置されている。
　整流子３０は、回転軸２１に取り付けられている。したがって、整流子３０は、ロータ２０が回転することで回転軸２１とともに回転する。本実施の形態において、整流子３０は、回転軸２１の第１端部２１ａに取り付けられている。回転軸２１に取り付けられた整流子３０は、ロータ２０の一部であってもよい。
　図２に示すように、整流子３０は、回転軸２１の周方向に沿って設けられた複数の整流子片３１（整流子セグメント）を有する。具体的には、複数の整流子片３１は、回転軸２１を囲むように回転軸２１の回転方向に沿って円環状に配列されている。本実施の形態において、整流子３０は、２４個の整流子片３１を有する。なお、各整流子片３１の形状は、回転軸２１の長手方向に延在する長尺状部材である。
　複数の整流子片３１の各々は、銅等の金属材料によって構成された導電端子であり、ロータ２０が有する巻線２２と電気的に接続されている。複数の整流子片３１は、互いに絶縁分離されているが、複数の整流子片３１は、ロータ２０の巻線２２によって電気的に接続されている。例えば、隣り合う２つの整流子片３１は、巻線２２によって電気的に接続されている。巻線２２によって接続された２つの整流子片３１の間の電流経路には、巻線２２のコイル部２２ａが存在している。
　一例として、整流子３０は、モールド整流子であり、複数の整流子片３１が樹脂モールドされた構成になっている。この場合、複数の整流子片３１は、表面が露出するようにモールド樹脂３２に埋め込まれている。
　整流子３０には、ブラシ４０が接している。具体的には、ブラシ４０は、整流子３０の複数の整流子片３１に接している。回転軸２１の回転により整流子３０が回転することでブラシ４０は、全ての整流子片３１と順次接触し続ける。また、ブラシ４０は、整流子３０の回転中の瞬時的には、１つ又は２つの整流子片３１と接する。
　なお、図示されていないが、電動機１には、ブラシ４０を整流子３０に押し当てるためにコイルバネ又はトーションバネ等のブラシバネが配置されている。ブラシバネは、バネ弾性を利用してブラシ４０に押圧を付与する。ブラシ４０は、ブラシバネからの押圧力を受けて常に先端部の表面が整流子３０の整流子片３１に接触する状態になっている。つまり、ブラシ４０は、ブラシバネにより整流子片３１に摺接しており、ブラシ４０と整流子片３１とが摺れ合う面が摺動面となる。
　ブラシ４０は、整流子片３１に接することでロータ２０に電力を供給する給電ブラシである。したがって、ブラシ４０には、電源から供給される電流が流れる電線が接続されている。例えば、ブラシ４０は、ピグテール線等の電線を介して、電源からの入力電圧を受電する電極端子と電気的に接続されている。具体的には、一方の端部が電極端子に接続されたピグテール線の他方の端部がブラシ４０の後端部に接続されており、ブラシ４０が整流子片３１に接触することで、ピグテール線を介してブラシ４０に供給される電機子電流が整流子片３１を介してロータ２０の巻線２２に流れる。なお、電源は、電動機１の外部に存在する外部電源であり、電動機１に所定の入力電圧を供給する。例えば、電源は、電動機１に１３Ｖの入力電圧を供給する。
　ブラシ４０は、導電性を有する導電体である。一例として、ブラシ４０は、カーボンによって構成された長尺状の略直方体のカーボンブラシである。具体的には、ブラシ４０は、銅等の金属とカーボンとを含む金属黒鉛質ブラシである。本実施の形態において、ブラシ４０は、銅を含むカーボンブラシである。この場合、ブラシ４０における銅の含有量は、５０重量％以上６０重量％以下であるとよい。ブラシ４０における銅の含有量を５０重量％以上にすることで、ブラシ４０と整流子片３１との接触抵抗を小さくすることができる。一方、ブラシ４０における銅の含有量が６０重量％を超えると、ブラシ４０と整流子片３１との間に発生するスパークが多くなり、ブラシ４０の寿命が短くなる。つまり、電動機１の寿命が短くなってしまう。また、ブラシ４０には、０．１重量％以上３重量％以下のＳｉＯ２又はＳｉＣの添加剤が含まれているとよい。
　このようなブラシ４０は、黒鉛粉と銅紛とバインダー樹脂と硬化剤とを混錬した混錬物を粉砕して直方体に圧縮成形して焼成することで作製することができる。この場合、ブラシ４０は、５００℃以下の低温度で焼成された金属黒鉛質ブラシであるとよい。このように、ブラシ４０を作製するときの焼成温度を５００℃以下に低くすることで、５００℃を超える温度で焼成して作製した場合と比べてブラシ４０を柔らかくしてゴム質にすることができる。これにより、整流子片３１に対するブラシ４０の座乗性が良くなり、上記のように銅の含有量を多くしたとしても、スパークが発生することを抑制できる。したがって、電動機１の寿命を長くすることができる。
　また、ブラシ４０の回転軸２１の軸心Ｃの方向の長さは、ブラシ４０の摺動方向の長さの２倍以上４倍以下であるとよい。具体的には、ブラシ４０の整流子片３１側の前端面の高さは、回転軸２１の軸心Ｃと直交する方向（径方向）におけるブラシ４０の長さの２倍以上４倍以下であるとよい。
　本実施の形態において、ブラシ４０は、一対設けられている。一対のブラシ４０は、整流子３０を挟持するように対向して配置される。つまり、一対のブラシ４０は、回転軸２１の軸心Ｃを中心に線対称に配置されている。一対のブラシ４０の各々は、回転軸２１の軸心Ｃと直交する方向（ラジアル方向）で整流子３０の整流子片３１に接している。つまり、整流子片３１には、ブラシ４０と整流子片３１との摺動面を介して、一対のブラシ４０の各々から電機子電流が供給される。
　各ブラシ４０は、隣接する２つの整流子片３１に跨って接触する状態が存在するように構成されている。つまり、ロータ２０の回転方向におけるブラシ４０の幅の長さは、隣接する２つの整流子片３１の間隔の長さよりも大きくなっている。これにより、各ブラシ４０は、隣接する２つの整流子片３１に跨って接触することで、この２つの整流子片３１の間の電流経路に存在する巻線２２が短絡する。
　なお、図示されていないが、ブラシ４０は、ブラシホルダに収納されていてもよい。この場合、ブラシ４０は、ブラシホルダ内を摺動することになる。
　フレーム５０は、ステータ１０及びロータ２０等の電動機１を構成する部品を収納する筐体（ケース）である。フレーム５０は、例えば、円筒形状の円筒部を有する。フレーム５０は、例えば、アルミニウム等の金属材料によって構成されている。ステータ１０（磁石１１）は、フレーム５０の内周面に沿ってフレーム５０に取り付けられている。なお、フレーム５０は、底部を有する有底円筒形状であってもよい。
　以上のように構成される電動機１では、ブラシ４０に供給される電流が電機子電流（駆動電流）として整流子３０を介してロータ２０の巻線２２に流れることで、ロータ２０に磁束が発生する。このロータ２０に生じた磁束とステータ１０から生じる磁束との相互作用によって生成された磁気力がロータ２０を回転させるトルクとなる。このとき、整流子片３１とブラシ４０とが接する際の位置関係によって電流が流れる方向が切り替えられる。つまり、転流が生じる。このように、電流が流れる方向が切り替えられることで、ステータ１０とロータ２０との間に発生する磁力の反発力と吸引力とで一定方向の回転力が生成される。これにより、ロータ２０は、回転軸２１を回転中心として回転する。
　そして、ロータ２０が回転すると、回転軸２１に取り付けられた整流子３０も回転する。これにより、図３の（ａ）に示すように、ブラシ４０に接触する整流子片３１が１つのみの状態（１子片接触状態）と、図３の（ｂ）に示すように、ブラシ４０に接触する整流子片３１が２つになる状態（２子片接触状態）とが、交互に繰り返されることになる。なお、図３において、黒矢印は、電流の流れを示している。
　具体的には、ブラシ４０に接触する整流子片３１が１つのみの状態である場合（図３の（ａ）の場合）、ブラシ４０が接する整流子片３１と当該整流子片３１に隣接する整流子片３１との間の電流経路に存在する巻線２２は、短絡せずに通電状態になっている。
　一方、ブラシ４０に接触する整流子片３１が２つになる状態の場合（図３の（ｂ）の場合）、ブラシ４０は、隣接する２つの整流子片３１に跨って接する状態になる。この場合、ブラシ４０が接する２つの整流子片３１の間の電流経路に存在する巻線２２は、短絡して短絡状態になる。この場合、隣接する２つの整流子片３１の間の電流経路に存在する巻線２２のコイル部２２ａには、電流が流れない。このように、隣接する２つの整流子片３１の間の電流経路に存在する巻線２２が短絡すると、ロータ２０の電機子抵抗が一時的に低下することになる。
　この結果、図３の（ａ）に示される通電状態と図３の（ｂ）に示される短絡状態とが繰り返されて、図４に示すように、電動機１に流れる電流の波形（電流波形）には、整流子片３１の数に起因した周波数で電流リプル（脈動）が発生する。図４において、電流波形の山の頂部は、図３の（ａ）に示される通電状態に対応し、電流波形の谷の底部は、図３の（ｂ）に示される短絡状態に対応している。
　本実施の形態では、整流子３０が２４個の整流子片３１を有するので、巻線２２の短絡と通電とが繰り返されて２４次の電流波形が得られる。つまり、電流波形の谷が２４回現れるごとに回転軸２１が一周（３６０°回転）することになる。
　そして、電動機１は、電動機１に流れる電流の波形から電動機１の回転数を検知する機能を有する。具体的には、電動機１は、電流の波形の電流リプルに基づいて電動機１の回転数を検知することができる。
　ここで、本実施の形態に係る電動機１の特徴について、本開示の技術に至った経緯も含めて説明する。
　整流子電動機では、電動機の電流波形の電流リプルに基づいて電動機の回転数を検知することができる。これにより、電動機の回転数制御を行うことができる。つまり、電動機の回転数を正確に検知することで、電動機の回転数制御を正確に行うことができる。
　しかしながら、本願発明者らが実際に電動機を製造して電動機の回転数制御を行ってみたところ、回転数制御の精度が低いことが判明した。特に、入力電圧が１２Ｖ以上２５Ｖ以下の低電圧で駆動する電動機を高出力化にして（例えば最大出力が２００Ｗ以上）、且つ、電動機の駆動（運転）を続けると、電流波形の電流リプルが乱れて回転数制御を行うことが難しくなることが分かった。
　この原因について本願発明者らが鋭意検討した結果、ブラシ４０と整流子片３１との間の接触抵抗の影響によって電流波形の電流リプルが乱れることが原因の一つであることが分かった。この点について、以下に説明する。
　図４に示される電動機の電流波形の電流リプルの大きさは、隣接する２つの整流子片の間の電流経路に存在する巻線のインピーダンス（Ｚ）で決まる。具体的には、巻線のインピーダンスは、巻線のコイル部のインピーダンス値である。巻線のインピーダンスは、巻線の抵抗値が高いほど大きくなり、巻線のコイル部のインダクタンスが高いほど大きくなり、巻線のコイル部のターン数が多いほど大きくなる。
　この巻線のインピーダンスは、電動機の電流波形のシグナル成分であり、図４に示される電流波形の山の頂部と谷の底部との差に影響する。つまり、巻線のインピーダンスは、電流リプルの大きさに影響を与える。
　したがって、電動機の回転数の検知精度を向上させるために電流波形の電流リプルを大きくすることが考えられるが、電流リプルを大きくするには、巻線を細線化して巻線の抵抗値を高くしたり、巻線のコイル部のインダクタンスを高くしたり、巻線のコイル部のターン数を多くしたりすることが考えられる。
　しかしながら、入力電圧を変えずに電動機を高出力化しようとすると、巻線に流れる電流を大きくする必要があるため、逆に、巻線を太線化して抵抗値を小さくしたり巻線のコイル部のターン数を少なくしたりする必要がある。この場合、隣接する２つの整流子片の間の電流経路に存在する巻線のコイル部のインピーダンス（１コイルインピーダンス）が小さくなってしまい、電流波形の電流リプルの振幅が小さくなる。
　特に、本願発明者らの実験によれば、入力電圧が２５Ｖ以下（例えば１３Ｖ）の低電圧の電動機において、２００Ｗ以上に高出力化しようとすると、電流波形が乱れて電流リプルの山や谷として認識することができなくなることが分かった。
　この原因を突き止めるために電動機を解析したところ、ブラシと整流子片と間には接触抵抗が存在するが、入力電圧を変えずに高出力化した電動機では、その接触抵抗（接触抵抗値）が、隣接する２つの整流子片の間の電流経路に存在する巻線のコイル部のインピーダンス（１コイルインピーダンス）と比較して大きな値になっていることが分かった。
　実際に測定したところ、巻線に流れる電流を１０Ａとしたときに、ブラシと整流子片との間の接触抵抗の大きさは２７ｍΩであり、また、電動機の回転数を７０００ｒ／ｍｉｎとしたときに、１コイルインピーダンスは４１ｍΩであった。
　しかも、ブラシと整流子片と間の接触抵抗（ブラシの接触抵抗）は、整流子片の摩耗、段差又は皮膜乗りによって大きくばらつく。実際に本願発明者らが耐久試験を行ったところ、整流子片の表面に微小な凹凸及び段差が形成されてブラシと整流子片との接触面積が激減し、ブラシと整流子片と間の接触抵抗（Ｒ）が、初期値に比べて大きくなるとともに、整流子片ごとにばらつくことが分かった。具体的には、温度耐久試験後の整流子片の表面は、１０μｍ程度の凹凸及び段差が生じて荒れた面となり、ブラシと整流子片と間の接触抵抗の大きさ（実測）は、巻線に流れる電流を１０Ａとしたときに、５４ｍΩであった。つまり、ブラシと整流子片との間の接触抵抗の大きさは、上記の初期値（２７ｍΩ）と比べて２倍程度に大きくなった。しかも、ブラシと整流子片と間の接触抵抗は、整流子片ごとにも大きくばらついていた。
　このように、ブラシと整流子片と間の接触抵抗（Ｒ）は、１コイルインピーダンスの値よりも大きくなり、且つ、整流子片ごとに値がばらつくことが分かった。
　しかも、電動機を高出力化すると、ブラシと整流子片との間にスパークが発生しやすくなり、ブラシの寿命が低下する。つまり、電動機の寿命が低下する。そこで、電動機を高出力化する場合には、ブラシと整流子片との間に発生するスパークを抑制するために、接触抵抗が高いブラシを選定することになる。このようにして電動機を設計すると、ブラシと整流子片と間の接触抵抗（Ｒ）は、さらに、大きくなってしまう。
　以上のように、従来の電動機の構成では、入力電圧を変えずに高出力化しようとすると、隣接する２つの整流子片の間の電流経路に存在する巻線のコイル部のインピーダンスＺ（１コイルインピーダンス）が小さくなり、且つ、ブラシと整流子片と間の接触抵抗（Ｒ）を大きくしようとする設計になる。この結果、電動機の電流波形が乱れて電流リプルの振幅が小さくなってしまい、電動機の回転数を検知して回転数制御を行うことが難しくなることが分かった。つまり、高出力化すればするほど、回転数制御を行うことが困難になることが分かった。このことは、本願発明者らが見出した新事実となる知見である。
　そして、本願発明者らは、この知見に基づいて、ブラシと整流子片と間の接触抵抗（Ｒ）に対する整流子片間の巻線のインピーダンス（Ｚ）と、電動機の回転数制御性及び電動機の寿命との関係を指標化するために実験を行った。その実験結果を図５に示す。図５は、ブラシと整流子片と間の接触抵抗に対する整流子片間の巻線のインピーダンスと、電動機の回転数制御性及び電動機の寿命との関係を示す図である。図５において、電動機の回転数制御性は、初期の場合も電動機を駆動し続けた場合も回転数制御を行うことができるか否かで判定した。
　その結果、図５に示すように、隣接する２つの整流子片の間の電流経路に存在する巻線のコイル部のインピーダンスをＺとし、ブラシと整流子片と間の接触抵抗をＲとすると、シグナル成分であるインピーダンスＺの大きさを、ノイズ成分である接触抵抗Ｒの大きさよりも２倍以上大きくすることで、電動機の回転数制御を行うことができることが分かった。これは、電動機の回転数を検知するときに、インピーダンスＺを接触抵抗Ｒの２倍以上（２≦Ｚ／Ｒ）にすることによって、安定した電流リプルを得ることができ、安定した回転数制御を行うことができたからである。したがって、電動機の回転数制御の観点では、接触抵抗Ｒに対するインピーダンスＺは、２倍以上であるとよい。また、回転数制御をより正確に行うには、接触抵抗Ｒに対するインピーダンスＺは、２．５倍以上であるとよい。なお、インピーダンスＺは、隣接する２つの整流子片の間の電流経路に存在する巻線のコイル部のインピーダンスの絶対値の大きさ（|Ｚ|）である。
　また、図５に示すように、インピーダンスＺの大きさが接触抵抗Ｒの大きさの４倍を超えると、電動機の寿命が激減することが分かった。これは、電動機の回転数を検知するときに、インピーダンスＺが接触抵抗Ｒの４倍を超えると（Ｚ／Ｒ＞４）、ブラシと整流子片との間で発生するスパークが大きくなりすぎてブラシの寿命が激減したからである。なお、ブラシの寿命は、整流子電動機の寿命となる。したがって、電動機の寿命の観点では、接触抵抗Ｒに対するインピーダンスＺは、４倍以下（Ｚ／Ｒ≦４）であるとよい。また、電動機の寿命の低下をさらに抑制するとの観点では、接触抵抗Ｒに対するインピーダンスＺは、３．５倍以下（Ｚ／Ｒ≦３．５）であるとよい。
　以上説明したように、本実施の形態に係る電動機１は、４８Ｖ以下の入力電圧により駆動する低電圧駆動の電動機であって、複数の整流子片３１のうち隣接する２つの整流子片３１の間の巻線２２のインピーダンスをＺとし、ブラシ４０と複数の整流子片３１のうちブラシ４０に接する整流子片３１との間の接触抵抗をＲとすると、電動機１の回転数を検知するときに、２≦Ｚ／Ｒ≦４の関係を満たしている。
　これにより、電動機１を高出力化しても、電動機の寿命を低下させることなく、電流波形の電流リプルが乱れないので電動機の回転数を精度良く検知することができる。したがって、電動機の寿命を低下させることなく、電動機の回転数制御を精度良く行うことができる。
　また、本実施の形態に係る電動機１において、さらに、２．５≦Ｚ／Ｒ≦３．５であるとよい。
　これにより、電動機の寿命を一層低下させることなく、電動機の回転数制御をさらに精度良く行うことができる。
　また、本実施の形態に係る電動機１は、入力電圧が２５Ｖ以下の低電圧で駆動し、最大出力が２００Ｗ以上である。
　このように２５Ｖ以下の低電圧で駆動する電動機１において、最大出力を２００Ｗ以上に高出力化させると、回転数制御を行うことが難しくなるが、２≦Ｚ／Ｒ≦４とすることで、電動機１の寿命を低下させることなく、電動機１の回転数制御を精度良く行うことができる。
　また、本実施の形態に係る電動機１において、ブラシ４０は、銅を含むカーボンブラシであり、ブラシ４０における銅の含有量は、５０重量％以上である。
　このように、ブラシ４０における銅の含有量を５０重量％以上にすることで、ブラシ４０と整流子片３１との間の接触抵抗Ｒを小さくすることができる。これにより、電動機１の高出力化によって、隣接する２つの整流子片３１の間の巻線２２のインピーダンスＺを小さくしたとしても、２≦Ｚ／Ｒ≦４の関係式を容易に満たすように構成することができる。
　なお、ブラシ４０における銅の含有量が６０％を超えると、スパークが多くなってブラシ４０の寿命が低下して、電動機１の寿命が低下する。したがって、ブラシ４０における銅の含有量は、６０重量％以下であるとよい。
　また、本実施の形態に係る電動機１において、ブラシ４０の回転軸２１の軸心Ｃの方向の長さは、ブラシ４０の摺動方向の長さの２倍以上であるとよい。
　これにより、ブラシ４０と整流子片３１との接触面積を増やすことができるので、ブラシ４０と整流子片３１との間の接触抵抗を低下させることができる。これにより、電動機１の高出力化によって、隣接する２つの整流子片３１の間の巻線２２のインピーダンスＺを小さくしたとしても、２≦Ｚ／Ｒ≦４の関係式を容易に満たすように電動機１を設計することができる。
　なお、ブラシ４０の摺動方向の長さを大きくすると、ブラシ４０及び巻線２２に流れる電流値が上昇して電動機の性能が変化してしまうが、ブラシ４０の回転軸２１の軸心Ｃの方向の長さのみを大きくすることで、電流値が上昇してしまうことを回避することができる。
　また、ブラシ４０の回転軸２１の軸心Ｃの方向の長さの上限は特に無いが、ブラシ４０の回転軸２１の軸心Ｃの方向の長さが大きくなりすぎると、電動機１全体のサイズ（特に高さ）が大きくなりすぎたり、ブラシ４０と整流子片３１との摺接面の面積が大きくなって摺動損失が増えて電動機１の効率が低下したりする。このため、ブラシ４０の回転軸２１の軸心Ｃの方向の長さは、ブラシ４０の摺動方向の長さの４倍以下であるとよい。
　また、本実施の形態に係る電動機１において、ブラシ４０には、０．１重量％以上３重量％以下のＳｉＯ２又はＳｉＣの添加剤が含まれているとよい。
　ＳｉＯ２又はＳｉＣは、整流子片３１の表面をクリーニングする研削剤として機能する。したがって、ブラシ４０にＳｉＯ２又はＳｉＣが含まれていることで、ブラシ４０と整流子片３１との摺接により整流子片３１の表面に凹凸や段差が形成されることを抑制することができる。これにより、ブラシ４０と整流子片３１との接触面積が低減することを抑制できるので、ブラシ４０と整流子片３１との間の接触抵抗が増大することを抑制できる。この結果、電流波形の電流リプルが安定するので、回転数制御の精度が向上する。
　（変形例）
　以上、本開示に係る電動機１について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、上記実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、上記実施の形態において、ブラシ４０は、２つとしたが、これに限らない。例えば、ブラシ４０は、１つのみであってもよいし、３つ以上の複数であってもよい。また、電動機１は、通電ブラシであるブラシ４０以外に補助ブラシを有していてもよい。
　また、上記実施の形態において、ステータ１０は、磁石１１によって構成されていたが、これに限らない。例えば、ステータ１０は、ステータコアとステータコアに巻回された巻線とによって構成されていてもよい。
　また、上記実施の形態において、ロータ２０は、コアを有していたが、これに限らない。つまり、上記実施の形態における電動機１は、コアを有さないコアレスモータに適用することもできる。例えば、上記実施の形態における電動機１は、ステータ１０及びロータ２０の磁束が回転軸２１の軸心Ｃの方向に発生する扁平型のフラットモータであるコアレスモータに適用することができる。
　その他、上記実施の形態及び変形例に対して当業者が思い付く各種変形を施して得られる形態や、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で実施の形態及び変形例における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。
　本開示は、回転数を検知して回転数制御を行う電動機を備える種々の製品に利用することができる。
　１　電動機
　１０　ステータ
　１１　磁石
　２０　ロータ
　２１　回転軸
　２１ａ　第１端部
　２１ｂ　第２端部
　２２　巻線
　２２ａ　コイル部
　２３　ロータコア
　２４　インシュレータ
　３０　整流子
　３１　整流子片
　３２　モールド樹脂
　４０　ブラシ
　５０　フレーム

Claims (6)

  1. 　電動機に流れる電流の波形から電動機の回転数を検知する電動機であって、
    　回転軸と、
    　前記回転軸の周方向に沿って設けられた複数の整流子片を有し、前記回転軸に取り付けられた整流子と、
    　前記複数の整流子片に接するブラシと、
    　前記回転軸に取り付けられたコアと、
    　前記コアに巻き回され、前記複数の整流子片の少なくとも一つに接続された巻線と、を備え、
    　前記電動機は、４８Ｖ以下の入力電圧により駆動し、
    　前記複数の整流子片のうち隣接する２つの整流子片の間の前記巻線のインピーダンスをＺとし、前記ブラシと前記複数の整流子片のうち前記ブラシに接する整流子片との間の接触抵抗をＲとすると、
    　前記電動機の回転数を検知するときに、２≦Ｚ／Ｒ≦４の関係を満たす、
    　電動機。
  2. 　２．５≦Ｚ／Ｒ≦３．５である、
    　請求項１に記載の電動機。
  3. 　前記入力電圧は、２５Ｖ以下であり、
    　前記電動機の最大出力は、２００Ｗ以上である、
    　請求項１又は２に記載の電動機。
  4. 　前記ブラシは、銅を含むカーボンブラシであり、
    　前記ブラシにおける銅の含有量は、５０重量％以上である、
    　請求項１～３のいずれか１項に記載の電動機。
  5. 　前記ブラシの前記回転軸の軸心方向の長さは、前記ブラシの摺動方向の長さの２倍以上である、
    　請求項１～４のいずれか１項に記載の電動機。
  6. 　前記ブラシには、０．１重量％以上３重量％以下のＳｉＯ２又はＳｉＣが含まれている、
    　請求項１～５のいずれか１項に記載の電動機。
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