JP2013123370A - 永久磁石ロータを備えたブラシ付きｄｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石ロータを備えたＤＣモータを提供する。
【解決手段】直流モータが、巻線形ステータ、コミュテータアセンブリを有する永久磁石ロータ、及びブラシギアを有する。ブラシギアは、第１の極のブラシ、第２の極のブラシ、及び複数の整流ブラシを有する。コミュテータアセンブリは、円筒形絶縁基部、及びこの基部に固定された第１及び第２の部材を有する。第１の部材は、径方向に延びる第１のスリップリング、及び軸方向に延びるいくつかの第１のバーを含む。第２の部材は、径方向に延びる第２のスリップリング、及び軸方向に延びるいくつかの第２のバーを含む。第１及び第２の極のブラシは、それぞれ第１及び第２のスリップリングと連続的に滑り接触する。第１及び第２のバーは、基部の外側円筒面に固定されて円筒面を形成し、これにコミュテータが滑り接触する。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石ロータを備えたＤＣモータに関する。

特開平０４−２００２５９号公報に示されるような、永久磁石ロータ、巻線形ステータコイル、コミュテータ及びブラシを有するＤＣ電気モータが一般に知られている。この特許公報に開示されているモータは、１対のスリップリングと、各スリップリングから軸方向に延びる複数のコミュテータバーとを含む円筒形のコミュテータアセンブリを採用するものである。ＤＣ電源の２つの極にそれぞれ接続された第１のブラシの対が、スリップリングと連続的に滑り接触する。ロータが回転すると、ステータコイルに接続された第２のブラシの対が、コミュテータバーと交互に滑り接触する。しかしながら、この種のコミュテータでは、ＤＣモータ全体が軸方向に長くなる。

米国特許第６，３９６，１７５号には、永久磁石ロータと、全てが平面上に配置されたコミュテータ片及び３つのスリップリングを有するコミュテータアセンブリとを備えたＤＣモータが開示されている。このようなアセンブリでは、モータの軸長は短くなるが、モータに大きな径方向寸法が必要となる。

特開平０４−２００２５９号公報 米国特許第６，３９６，１７５号明細書

上述の問題を緩和できる、永久磁石ロータを有する新たなＤＣモータを提供することが本発明の目的である。

従って本発明は、その１つの態様では、シャフトと、このシャフトに固定されたロータコアと、このロータコアに固定された複数の永久磁石と、コミュテータとを含むロータと、ロータコアを取り囲むステータコアと、このステータコア上に巻かれた複数のコイルとを含むステータと、対応するコイルに接続された複数の整流ブラシと、第１の極のブラシと、第２の極のブラシとを含むブラシギアとを含む直流モータを提供し、コミュテータは、シャフトに接続された実質的に円筒形の絶縁基部と、この基部に固定された第１の部材と、基部に固定されて第１の部材から絶縁された第２の部材とを含み、第１の部材は、径方向に延びる第１のスリップリングと、この第１のスリップリングに電気的に接続された複数の第１のバーとを含み、第１の極のブラシは、第１のスリップリングと連続的にスリップ接触し、第２の部材は、径方向に延びる第２のスリップリングと、この第２のスリップリングに電気的に接続された複数の第２のバーとを含み、第２の極のブラシは、第２のスリップリングと連続的に滑り接触し、第１のバー及び第２のバーは、基部の外面に固定され、基部の円周方向に均等に間隔を空けて交互に配置されて実質的に円筒形の面を形成し、これに整流ブラシが滑り接触する。

好ましくは、第１のバーは、単一片スタンピングとして第１のスリップリングと一体形成され、第２のバーは、単一片スタンピングとして第２のスリップリングと一体形成される。

好ましくは、第１のスリップリング及び第２のスリップリングは、第１のバー及び第２のバーの同じ側に配置される。

好ましくは、第１のスリップリングは、基部のロータコアから外方に向く側に配置され、第２のスリップリングは、基部の第１のスリップリングから外方に向く側に配置され、第２のバーは、第１のスリップリングを貫いて延びる。

好ましくは、第１のスリップリングは、その径方向内側端部に複数の凹部を含み、第２のバーは、対応する凹部を貫通する。

好ましくは、第２のスリップリングの外径は、第１のスリップリングの外径よりも大きく、整流ブラシ、第１の極のブラシ及び第２の極のブラシが、全て第１のスリップリングの同じ側に配置される。

好ましくは、整流ブラシ、第１の極のブラシ及び第２の極のブラシは、全て第１のスリップリングとロータコアの間に配置される。

好ましくは、ブラシギアは、実質的にリング状のブラシカードをさらに含み、基部、第１のバー及び第２のバーは、ブラシカードによって取り囲まれ、整流ブラシ、第１の極のブラシ及び第２の極のブラシは、ブラシカード内に受け入れられる。

好ましくは、コミュテータは、隣接する第１のバーと第２のバーの間に配置された複数の絶縁リブをさらに含む。

好ましくは、コイルは３つの相で構成され、ブラシギアは３つの整流ブラシを含み、コミュテータは、３つの第１のバー及び３つの第２のバーを含む。

好ましくは、コミュテータの外側円筒面上の、整流ブラシの１つが占める弧長に対応する角度「α」が１２°〜１８°であり、リブの弧長に対応する角度「β」が２１°〜２７°であり、第１のバー又は第２のバーの弧長に対応する角度「γ」が２７°〜３３°であり、隣接するコミュテータの円周方向の間隔に対応する角度「δ」が３４°〜４６°である。

好ましくは、複数の第１のダイオード及び複数の第２のダイオードが設けられ、コイルが複数の相に対応し、各相が、第１のダイオードを介して陽極電源に接続され、第２のダイオードを介して陰極電源に接続され、第１のダイオードの陽極及び第２のダイオードの陰極がこの相に接続される。

好ましくは、磁石は、ロータコアに埋め込まれる。

好ましくは、磁石は、ロータコア内に形成された、ロータコアの径方向及び軸方向に延びる溝内に固定され、ロータの円周方向に交互に分極される。

本発明の実施形態では、第１及び第２のスリップリングが径方向に延び、コミュテータ片が軸方向に延びることにより、コミュテータアセンブリが、モータの軸方向及び径方向に比較的短い。

ここで、添付図面の図を参照しながら本発明の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図中、複数の図に現れる同一の構造、要素又は部品については、これらが現れる全ての図において一般に同じ参照番号を付けている。図示の構成要素及び特徴部の寸法は、説明の便宜及び明確さを図って選択したものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下に図を一覧で示す。

本発明の好ましい実施形態による、永久磁石ロータ及びコミュテータアセンブリを有するＤＣモータを示す図である。 図１のモータの分解図である。 図１のモータのブラシと巻線の間の接続を示す概略配線図である。 コミュテータとブラシの関係を示す図である。

図１のＤＣモータ１０は、ステータ２０、ブラシギア、及びステータ２０内に回転自在に配置された永久磁石ロータ６０を有する。

図２及び図３に示すように、ステータ２０は、ステータコア２２及びいくつかのコイル２４を含む。ステータコア２２は、円形ヨーク３４及びここから内向きに突出するいくつかの歯３６を形成する複数の積み重ねた積層体で作成される。コイル２４は、対応する歯３６の周囲に巻かれる。ブラシギアは、ブラケット又はブラシカード２６、いくつかの整流ブラシ２８、陽極ブラシ３０及び陰極ブラシ３２を含む。コイルは、例えば３つの相Ｕ、Ｖ、Ｗに対応するように配置されて、任意に星形に接続され、すなわち各コイル３４の一端がそれぞれの整流ブラシ２８に接続され、各コイル２４の他端がともに接続される。

任意に、ブラシカード２６は、モータのケース又はハウジング（図示せず）に固定され、ここにはステータコア２２も固定されて、ブラシカードがステータに対して固定されるようになる。ブラシカード２６は、リング状の底板３８、及びこの底板３８から立ち上がるリング状の突出部４０を含む。このようにして、ブラシカードは、その中心に円形穴４２を定める。突出部４０は、いくつかの第１のスロット４４、第２のスロット４６及び第３のスロット４８を定める。各第１のスロットは、底板３８、径方向外面５０及び互いに向き合う２つの側面によって取り囲まれる。各第１のスロット４４は、実質的に径方向に延び、隣接するスロット間の角度は実質的に同じである。第２のスロット４６及び第３のスロット４８は、いずれも突出部４０の頂面から底板３８まで軸方向に延びる。第３のスロット４８は、第２のスロット４６よりも突出部４０の径方向外側端部に近い位置に配置される。従って、第２及び第３のスロットは、径方向及び円周方向に間隔を空ける。

整流ブラシ２８は、対応する第１のスロット４４内に、各整流ブラシ２８と対応する外面５０の間にバネを挟んだ状態で受け入れられて、径方向内向きに弾性的に付勢される。陽極ブラシ３０及び陰極ブラシ３２は、第２のスロット４６及び第３のスロット４８にそれぞれ収容され、陽極ブラシ３０及び陰極ブラシ３２と底板３８の間にバネを挟んでブラシ３０及び３２を底板３８から離して弾性的に付勢する。

図２を参照すると、ロータ６０は、シャフト６２、ロータコア６４、いくつかの永久磁石６６、及びコミュテータ６８を含む。ロータコア６４は、シャフトとともに回転するようにシャフト６２に固定される。ロータコアは、径方向に延びるいくつかの溝又はスロット（番号表記せず）を定め、この中に磁石６６が配置される。従って、ロータコアに磁石を埋め込んで、内部永久磁石ロータとして知られているものを形成する。磁石６６は、ロータの円周方向に分極され、隣接する磁石６６は逆の極性を有する。ロータコア６４をステータコア２２で取り囲んで、コイル２４に通電した時に、隣接する磁石間に形成されるロータコア６４の磁極が、ステータコア２２の歯３６により形成される磁極と相互作用するようにする。

コミュテータ６８は、シャフトとともに回転するようにシャフト６２に固定され、ブラケット２６の穴４２に受け入れられる。コミュテータ６８は、実質的に円筒形の絶縁基部７０、いくつかの絶縁リブ７２、第１の導電部材７４、及び第２の導電部材７６を含む。絶縁基部７０は、好ましくは圧入の形でシャフト６２に固定される。基部７０の外面からは、リブ７２が均等に突出する。これらのリブは、モノリシック構造として基部と一体に形成してもよく、又はさね継ぎ構成などによって基部に固定してもよい。第１の部材７４は、第１のスリップリング７８、及び好ましくは単一片スタンピングとして第１のスリップリング７８と一体に形成されたいくつかの第１のバー８０を含む。第１のスリップリング７８は、その径方向内側端部にいくつかの凹部８２を定める。第１のバー８０は、第１のスリップリング７８から垂直に突出し、円周方向に均等に配置される。各第１のバー８０は、隣接する凹部８２間に配置される。第２の部材７６は、第２のスリップリング８４、及び好ましくは単一片スタンピングとして第２のスリップリング８４と一体に形成されたいくつかの第２のバー８６を含む。第２のスリップリング８４の外径は、第１のスリップリング７８の外径よりも大きい。第２のバー８６は、第２のスリップリング８４から垂直に突出し、円周方向に均等に間隔を空けて配置される。

各第１のバー８０は、隣接するリブ７２間に挟まれ、第１のスリップリング７８がリブ７２に当接する。このようにして、第１の部材７４が基部７０に取り付けられる。第２の部材７６も基部７０に取り付けられ、第２のバー８６の各々は、対応する溝８２を貫通して隣接するリブ７２間に挟まれる。各リブは、第１のバー８０と第２のバー８６の間に挟まれる。このようにして、第１のバー８０及び第２のバー８６は、基部７０の外面に固定され、基部７０の円周方向に均等に間隔を空けて交互に配置される。第１の部材７４は第２の部材７６から、例えばこれら２つの部材が接触するであろう位置に形成された絶縁塗料又は絶縁膜により絶縁される。従って、第１のバー８０及び第２のバー８６の外面は、円筒形コミュテータの接触面をともに形成し、２つのスリップリングが平面接触面を形成する。整流ブラシ２８は、コミュテータが回転すると、第１のバー８０及び第２のバー８６と交互に滑り接触するように配置される。陽極ブラシ３０及び陰極ブラシ３２は、第１のスリップリング７８及び第２のスリップリング８４とそれぞれ連続的に滑り接触する。

図４を参照すると、角度「α」は、コミュテータ６８の外側円筒面上の整流ブラシ２８が占める弧長に対応する。角度「β」は、リブ７２の弧長に対応する。角度「γ」は、第１のバー８０／第２のバー８６の弧長に対応する。角度「δ」は、隣接する整流ブラシ２８間の分離角に等しい。これらの角度は、整流ブラシ２８が、陽極ブラシ及び陰極ブラシに対応する第１及び第２のバーに接触してロータ６０の回転を維持するように整えられる。詳細には、整流ブラシ２８が隣接するバーに同時に接続できないように、角度「β」は角度「α」よりも大きい。少なくとも２つのバーが異なる整流ブラシ２８に同時に接続されるように、角度「δ」は角度「γ」よりも大きい。本実施形態では、角度「α」が１２°〜１８°であり、角度「γ」が２７°〜３３°であり、角度「β」が２１°〜２７°であり、角度「δ」が３４°〜４６°である。このようにして、回転中、巻線は、Ｕ−Ｖ、Ｕ−ＶＷ、−ＶＷ、−Ｕ−ＶＷ、−ＵＷ、−ＵＶＷ、−ＵＶ、−ＵＶ−Ｗ、Ｖ−Ｗ、ＵＶ−Ｗ、Ｕ−Ｗ、Ｕ−Ｖ−Ｗ、Ｕ−Ｖ．．．の順番で電源に接続される（文字「Ｕ」は、Ｕ相が電源の陽極に接続され、文字「−Ｖ」は、Ｖ相が電源の陰極に接続されることを意味する）。

第１のスリップリング７８及び第２のスリップリング８４が径方向に延びているので、コミュテータ６８は、スリップリングが軸方向に延びている場合よりも軸方向に短い。従って、ＤＣモータ１０全体を軸方向に短くすることができる。また、第２のスリップリング８４の外径の方が、その上に重なる第１のスリップリング７８の外径よりも大きいので、ブラシを全て第２のスリップリング８４の側に配置し、これにより空間利用を改善することができる。

図３に示すように、各相は、それぞれ第１のダイオードＤ１及び第２のダイオードＤ２を介して陽極ブラシ３０及び陰極ブラシ３２に接続されることが好ましい。第１のダイオードＤ１の陰極が陽極ブラシ３０に接続され、第２のダイオードＤ２の陽極が陰極ブラシ３２に接続される。整流ブラシ２８が、第１のバー８０／第２のバー８６からリブ７２へ、又はリブからバーへ滑動すると、整流ブラシ２８内で急激な電流変化が生じる。このようにして、整流ブラシ２８に対応する巻線のコイル２４が、大きな値の電流パルスを発生させる。この状態で、第１又は第２のダイオードがオンになり、電流パルスの電源への電流路を形成する。このようにして、電流パルスが減少し、整流ブラシ２８とコミュテータバー８０、８６の間に生じるスパークが抑制される。

本出願の明細書及び特許請求の範囲では、記載した項目の存在を、追加項目の存在を除外することなく特定するために、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｃｏｎｔａｉｎ）」、及び「有する（ｈａｖｅ）」という動詞の各々及びこれらの変形を包括的意味で使用している。

１又はそれ以上の好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、当業者であれば、様々な修正が可能であると理解するはずである。従って、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲を参照して決定すべきである。

２２ ステータコア
２４ コイル
２６ ブラシカード
２８ 整流ブラシ
３０ 陽極ブラシ
３２ 陰極ブラシ
３４ ヨーク
３６ 歯
３８ 底板
４０ 突出部
４２ 穴
４４ 第１のスロット
４６ 第２のスロット
４８ 第３のスロット
５０ 径方向外面
６２ シャフト
６４ ロータコア
６６ 磁石
６８ コミュテータ
７０ 基部
７２ リブ
７４ 第１の部材
７６ 第２の部材
７８ 第１のスリップリング
８０ 第１のバー８０
８２ 凹部８２
８４ 第２のスリップリング
８６ 第２のバー

Claims (14)

1. シャフトと、該シャフトに固定されたロータコアと、該ロータコアに固定された複数の永久磁石と、コミュテータとを含むロータと、
   前記ロータコアを取り囲むステータコアと、該ステータコア上に巻かれた複数のコイルとを含むステータと、
   対応するコイルに接続された複数の整流ブラシと、第１の極のブラシと、第２の極のブラシとを含むブラシギアと、
   を含み、
   前記コミュテータが、前記シャフトに接続された実質的に円筒形の絶縁基部と、該基部に固定された第１の部材と、前記基部に固定されて前記第１の部材から絶縁された第２の部材とを含み、
   前記第１の部材が、径方向に延びる第１のスリップリングと、該第１のスリップリングに電気的に接続された複数の第１のバーとを含み、前記第１の極のブラシが、前記第１のスリップリングと連続的にスリップ接触し、
   前記第２の部材が、径方向に延びる第２のスリップリングと、該第２のスリップリングに電気的に接続された複数の第２のバーとを含み、前記第２の極のブラシが、前記第２のスリップリングと連続的に滑り接触し、
   前記第１のバー及び前記第２のバーが、前記基部の前記外面に固定され、前記基部の円周方向に均等に間隔を空けて交互に配置されて実質的に円筒形の面を形成し、これに前記整流ブラシが滑り接触する、
   ことを特徴とする直流モータ。
2. 前記第１のバーが、単一片スタンピングとして前記第１のスリップリングと一体形成され、前記第２のバーが、単一片スタンピングとして前記第２のスリップリングと一体形成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
3. 前記第１のスリップリング及び前記第２のスリップリングが、前記第１のバー及び前記第２のバーの同じ側に配置される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のモータ。
4. 前記第１のスリップリングが、前記基部の前記ロータコアから外方に向く側に配置され、前記第２のスリップリングが、前記基部の前記第１のスリップリングから外方に向く側に配置され、前記第２のバーが、前記第１のスリップリングを貫いて延びる、
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ。
5. 前記第１のスリップリングが、その径方向内側端部に複数の凹部を含み、前記第２のバーが、対応する凹部を貫通する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ。
6. 前記第２のスリップリングの外径が、前記第１のスリップリングの外径よりも大きく、前記整流ブラシ、前記第１の極のブラシ及び前記第２の極のブラシが、全て前記第１のスリップリングの同じ側に配置される、
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載のモータ。
7. 前記整流ブラシ、前記第１の極のブラシ及び前記第２の極のブラシが、全て前記第１のスリップリングと前記ロータコアの間に配置される、
   ことを特徴とする請求項６に記載のモータ。
8. 前記ブラシギアが、実質的にリング状のブラシカードをさらに含み、前記基部、前記第１のバー及び前記第２のバーが、前記ブラシカードによって取り囲まれ、前記整流ブラシ、前記第１の極のブラシ及び前記第２の極のブラシが、前記ブラシカード内に受け入れられる、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ。
9. 前記コミュテータが、隣接する第１のバーと第２のバーの間に配置された複数の絶縁リブをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のモータ。
10. 前記コイルが、３つの相で構成され、前記ブラシギアが、３つの整流ブラシを含み、前記コミュテータが、３つの第１のバー及び３つの第２のバーを含む、
    ことを特徴とする請求項９に記載のモータ。
11. 前記コミュテータの外側円筒面上の、前記整流ブラシの１つが占める弧長に対応する角度「α」が１２°〜１８°であり、リブの弧長に対応する角度「β」が２１°〜２７°であり、前記第１のバー又は第２のバーの弧長に対応する角度「γ」が２７°〜３３°であり、隣接するコミュテータの円周方向の間隔に対応する角度「δ」が３４°〜４６°である、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のモータ。
12. 複数の第１のダイオード及び複数の第２のダイオードをさらに含み、前記コイルが複数の相に対応し、各相が、前記第１のダイオードを介して陽極電源に接続され、前記第２のダイオードを介して陰極電源に接続され、前記第１のダイオードの前記陽極及び前記第２のダイオードの前記陰極が前記相に接続される、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のモータ。
13. 前記磁石が、前記ロータコアに埋め込まれる、
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のモータ。
14. 前記磁石が、前記ロータコア内に形成された、前記ロータコアの径方向及び軸方向に延びる溝内に固定され、前記ロータの円周方向に交互に分極される、
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のモータ。

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