JP6928563B2 - モータ - Google Patents

Description

本発明は、モータに関するものである。

モータの中には、車両等に搭載されるブラシ付きの３相直流モータ（以下、ブラシ付きモータという）がある。このブラシ付きモータは、内周面に永久磁石を取り付けた円筒状のヨークと、ヨークの径方向内側に回転自在に設けられたアーマチュアと、を備えている。
アーマチュアは、回転軸と、回転軸に外嵌固定されたアーマチュアコアと、回転軸にアーマチュアコアと隣接するように外嵌固定されたコンミテータと、を有している。

アーマチュアコアには、径方向に沿って延び、放射状に配置された複数のティースを有している。周方向に隣接する各ティース間には、蟻溝状のスロットが形成される。これらスロットを介して各ティースにコイルが巻回される。
コンミテータには、複数のセグメントが周方向に沿って配置されている。これらセグメントに、コイルが接続されている。また、各セグメントには、ブラシが摺接される。ブラシは、外部電源に電気的に接続される。そして、外部電源の電力がブラシを介して各セグメントに印加されることにより、各コイルに電流が供給される。

これにより、アーマチュアコアに所定の磁界が形成され、この磁界と永久磁石との間で磁気的な吸引力や反発力が生じる。このため、アーマチュアが回転する。
また、アーマチュアが回転することによって、ブラシが摺接するセグメントが順次変更され、コイルに供給される電流の向きが切替えられる、いわゆる整流が行われる。これにより、アーマチュアが継続的に回転する。

ところで、モータの小型化、軽量化を図ろうとした場合の手段として、永久磁石の多極化が考えられる。多極化することによって磁極の１極当たりの有効磁束量を低減することが可能になる。この結果、磁気を形成するアーマチュアコアの小型化、軽量化を図ることができる。
ここで、単純に多極化しようとするとスロット数が多くなるので、アーマチュアコアの外径を一定に保とうとすると、スロットが小さくなってしまう。この結果、コイルの巻回作業が困難になってしまう。このため、コイルの巻回作業を容易化しつつ、モータを小型化できるさまざまな技術が提案されている。

例えば、６個のティースと、１２個のセグメントを有し、ティースに周方向に１から６まで順に番号を付するとともに、セグメントに周方向に１から１２まで順に番号を付したとき、コイルは、巻き始め端が７番セグメントに接続され、７番セグメントから１番セグメントに接続され、１番セグメントから１番ティースに順方向に巻回され、１番ティースから２番セグメントに接続され、２番セグメントから８番セグメントに接続され、８番セグメントから３番ティースに逆方向に巻回され、３番ティースから３番セグメントに接続され、３番セグメントから９番セグメントに接続され、９番セグメントから５番ティースに順方向に巻回され、５番ティースから１０番セグメントに接続され、１０番セグメントから４番セグメントに接続され、４番セグメントから１番ティースに逆方向に巻回され、１番ティースから１１番セグメントに接続され、１１番セグメントから５番セグメントに接続され、５番セグメントから３番ティースに順方向に巻回され、３番ティースから６番セグメントに接続され、６番セグメントから１２番セグメントに接続され、１２番セグメントから５番ティースに逆方向に巻回され、５番ティースから引き出された巻き終わり端が、再び７番セグメントに接続されているものがある。同電位となるセグメント同士は、均圧線（接続線）によって短絡されている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、各ティースは、互いに隣接するセグメント間に電気的に接続され順方向に巻装された第１コイルと、互いに隣接する他のセグメント間に電気的に接続され逆方向に巻装された第２コイルとを備えたものがある。そして、第１コイルの巻き始め端が接続されているセグメントと、第２コイルの巻き始め端が接続されているセグメントとの相対位置が、一対のブラシ同士の相対位置に対応するように設定されている。同電位となるセグメント同士は、均圧線（接続線）によって短絡されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１７−１３１０３５号公報 特開２００８−１１３４８５号公報

しかしながら、上述の特許文献１にあっては、ティースに巻回されたコイルが接続されないセグメントが存在する。このようなセグメントにブラシが摺接された場合、均圧線に流れる電流値が大きくなってしまい、均圧線が損傷する可能性があった。また、均圧線を別の設備で引き回す必要があるので、巻線装置が複雑化する可能性があった。

図４に基づいて、より具体的に説明する。
図４は、特許文献２におけるコイル２０７の電気回路を示す説明図である。
図４に示すように、例えば、１番セグメント２１４と４番セグメント１４とに各々ブラシ２２２が摺接されている場合、コイル２０７は、１番セグメント２１４と均圧線２５２を介して接続されている７番セグメント２１４と、４番セグメント２１４と均圧線２５２を介して接続されている１番セグメント２１４と、の間で電気回路が並列となるように接続されている形になる。

このため、例えば、ブラシ２２２に供給される電流の電流値が４［ｉ］である場合、コイル２０７に供給される電流の電流値は２［ｉ］となるものの、１番−７番セグメント２１４間の均圧線２５２に供給される電流の電流値は４［ｉ］となる。同様に、４番−１番セグメント２１４間の均圧線２５２に供給される電流の電流値も４［ｉ］となる。
このように、均圧線２５２に流れる電流値が大きくなってしまい、均圧線２５２が損傷する可能性があった。

これに対し、上述の特許文献２にあっては、各セグメントにティースに巻回されたコイルが接続されているので、均圧線に流れる電流値を、特許文献１よりは低減できる。しかしながら、本特許文献２のようなコイルの巻回構造を実現するためには、巻線装置は、コイルを繰り出すフライヤを２つ有する、いわゆるダブルフライヤによって、２本同時にコイルの巻回作業を行う必要がある。このため、巻線装置が複雑になるのに加え、ダブルフライヤとする分、コイルの引き回し量が増大し、コイルの占積率を向上しにくいという課題があった。

ところで、ダブルフライヤに代わって、フライヤが１つのシングルフライヤによってコイルの巻回作業を行うことも不可能ではないが、シングルフライヤによってダブルフライヤの如くコイルを巻回しようとしても同じダブルフライヤと同じ巻回数にしないとモータ特性を同じにすることが難しく、単純に巻回工数が２倍になってしまう。また、各ティースにコイルを巻回すべく、コイルを引き回す際に、先に巻回されたコイルが邪魔になって巻回作業自体が煩わしいものになってしまう。

そこで、本発明は、小型化を図りつつ、均圧線に流れる電流値を低減でき、巻線装置を簡素化でき、コイルの占積率を向上でき、且つ巻回作業を容易化できるモータを提供する。

上記の課題を解決するために、本発明に係るモータは、４極の磁極を有するヨークと、前記ヨークの径方向内側に回転自在に設けられる回転軸、前記回転軸に取り付けられ径方向外側に向かって放射状に延びる６個のティース、及び周方向に隣接する各前記ティース間に形成される６個のスロットを有するアーマチュアコアと、各前記ティースに、それぞれ巻回されるコイルと、前記回転軸に前記アーマチュアコアと隣接して設けられ１２個のセグメントを周方向に配置したコンミテータと、各前記セグメントを介して前記コイルに給電を行う複数のブラシと、を備え、前記ティースに周方向に１から６まで順に番号を付するとともに、前記セグメントに周回り方向に１から１２まで順に番号を付したとき、前記コイルは、巻き始め端が１番セグメントに接続され、１番セグメントから前記回転軸の回転方向の一方向に向かって引き回されて５番ティースに順方向に巻回され、５番ティースから前記一方向に引き回されて２番ティースに順方向に巻回され、２番ティースから前記一方向に引き回されて１２番セグメントに接続され、１２番セグメントから前記一方向に引き回されて６番セグメントに接続され、６番セグメントから前記一方向に引き回されて６番ティースに前記順方向とは逆向きの逆方向に巻回され、６番ティースから前記一方向に引き回されて３番ティースに逆方向に巻回され、３番ティースから前記一方向に引き回されて１１番セグメントに接続され、１１番セグメントから前記一方向に引き回されて５番セグメントに接続され、５番セグメントから前記一方向に引き回されて１番ティースに順方向に巻回され、１番ティースから前記一方向に引き回されて４番ティースに順方向に巻回され、４番ティースから前記一方向に引き回されて４番セグメントに接続され、４番セグメントから前記一方向に引き回されて１０番セグメントに接続され、１０番セグメントから前記一方向に引き回されて２番ティースに逆方向に巻回され、２番ティースから前記一方向に引き回されて５番ティースに逆方向に巻回され、５番ティースから前記一方向に引き回されて３番セグメントに接続され、３番セグメントから前記一方向に引き回されて９番セグメントに接続され、９番セグメントから前記一方向に引き回されて３番ティースに順方向に巻回され、３番ティースから前記一方向に引き回されて６番ティースに順方向に巻回され、６番ティースから前記一方向に引き回されて８番セグメントに接続され、８番セグメントから前記一方向に引き回されて２番セグメントに接続され、２番セグメントから前記一方向に引き回されて４番ティースに逆方向に巻回され、４番ティースから前記一方向に引き回されて１番ティースに逆方向に巻回され、１番ティースから前記一方向に引き回されて７番セグメントに接続され、７番セグメントから前記一方向に引き回されて１番セグメントに接続される、ことを特徴とする。

このように構成することで、モータの小型化を図りつつ、各セグメントに、ティースに巻回されたコイルを接続することができる。このため、同電位のセグメント同士を接続したコイルに流れる電流値が大きくなってしまうことを防止できる。
また、シングルフライヤによって、一筆書きの如く一連にコイルの巻回作業を行うことができる。このため、巻線装置を簡素化できるとともに、コイルの巻回作業を容易化できる。

ここで、各コイルを形成する銅にコーティングを行っている。その際にコーティングの量は線径が異なる場合でも略同様の厚さでコーティングを行っている。このため、ダブルフライヤによってコイルを巻回する場合と比較して、シングルフライヤによってコイルを巻回する場合は、コイルの巻回数を減少でき、コーティングの量を減らすことができる。この結果、コイルの占積率を向上させることが可能になる。

本発明によれば、小型化を図りつつ、接続線に流れる電流値を低減でき、巻線装置を簡素化でき、コイルの占積率を向上でき、且つ巻回作業を容易化できるモータを提供できる。

本発明の実施形態におけるブラシ付きモータの軸方向に沿う断面図である。 本発明の実施形態における永久磁石、ティース、セグメント、及びコイルを展開した図である。 本発明の実施形態におけるコイルの電気回路を示す説明図である。 従来におけるコイルの電気回路を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（ブラシ付きモータ）
図１は、ブラシ付きモータ１の軸方向に沿う断面図である。
ブラシ付きモータ１は、例えば、車両に搭載する電装品の駆動源として用いられる。
図１に示すように、ブラシ付きモータ１は、略有底円筒形状のヨーク２内に回転自在に設けられたアーマチュア３を備え、ヨーク２の開口部２ｃをエンドブラケット１７で閉塞してある。
ヨーク２の内周面には周方向に永久磁石４が４個固定されている。つまり、磁極を４個有している。

アーマチュア３は、回転軸５に固定されたアーマチュアコア６と、アーマチュアコア６に巻回されたコイル７と、アーマチュアコア６の一端側に配置されたコンミテータ１３とから構成されている。アーマチュアコア６は、例えばリング状の金属板８を軸方向に複数枚積層したものである。しかしながら、アーマチュアコア６を、軟磁性粉を加圧成形することにより形成してもよい。

金属板８の外周部には、軸方向からみてＴ字型のティース５０が周方向に沿って等間隔に６個放射状に形成されている。複数枚の金属板８を回転軸５に外嵌することにより、アーマチュアコア６の外周には隣接するティース５０間に蟻溝状のスロット５１が形成されている。スロット５１は軸方向に沿って延びており、周方向に沿って等間隔に６個形成されている。これらスロット５１を通して、ティース５０にコイル７が集中巻方式により巻回されている（詳細は後述する）。

コンミテータ１３は、回転軸５の一端に外嵌固定されている。コンミテータ１３の外周面には、導電材で形成されたセグメント１４が１２枚取り付けられている。このように、本実施形態のブラシ付きモータ１は、４個の永久磁石４（磁極数が４極）、６個のスロット５１（６個のティース５０）、及び１２枚のセグメント１４を有する、いわゆる４極６スロット１２セグメント（倍セグメント）のモータである。

セグメント１４は軸方向に長い板状の金属片からなり、互いに絶縁された状態で周方向に沿って等間隔に並列に固定されている。各セグメント１４のアーマチュアコア６側の端部には、外径側に折り返す形で折り曲げられたライザ１５が、セグメント１４と一体形成されている。ライザ１５には、ティース５０に巻回されたコイル７が掛け回わされ、例えばヒュージングにより固定されている。これにより、セグメント１４とこれに対応するコイル７とが電気的に接続される。

また、各セグメント１４のうち、所定の２個のセグメント１４、つまり、同電位となる２個のセグメント１４同士を短絡するように、コイル７が接続されている（図２参照、詳細は後述する）。同電位となる２個のセグメント１４同士を短絡するコイル７は、均圧線（接続線）５２として機能する。これら均圧線５２も、所定のセグメント１４のライザ１５に掛け回され、例えばヒュージングにより固定されている。

回転軸５の他端側は、ヨーク２の底部２ｂに突出形成されたボス内の軸受１２によって回転自在に支持されている。ヨーク２の開口部２ｃ側端にはエンドブラケット１７が設けられている。このエンドブラケット１７の内側にはホルダステー２０が取り付けられている。ホルダステー２０には、例えば、周回り方向に９０°の間隔を開けて一対のブラシホルダ２１が形成されている。ブラシホルダ２１には、それぞれブラシ２２が各々スプリング２３を介して付勢された状態で出没自在に内装されている。

各ブラシ２２は、ピグテール１６を介して外部電源に電気的に接続されている。各ブラシ２２は、正極ブラシと負極ブラシとに分類される。これらブラシ２２の先端部は、スプリング２３によって付勢されているためコンミテータ１３に摺接しており、外部からの電源がブラシ２２を介してコンミテータ１３に供給される。

（コイルの巻回方法）
次に、図２に基づいて、コイル７の巻回方法について説明する。
図２は、永久磁石４と、アーマチュア３のティース５０、セグメント１４、及びコイル７（均圧線５２）と、を展開した図であり、隣接するティース５０間の空隙がスロット５１に相当している。
ここで、図２に示すように、アーマチュア３は、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）構造であり、各ティース５０は、周方向に沿ってＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に割り当てられている。以下の説明では、各ティース５０に割り当てられた相と番号を順に付すとともに、各セグメント１４に周方向に順に番号を付して説明する。なお、図２では、Ｕ１（１）番のティース５０の近傍に、１番のセグメント１４が位置するように各セグメント１４に番号を付しているが、これに限られるものではなく、１番のセグメント１４の位置を任意に設定することができる。

各ティース５０、及び各セグメント１４には、コイル７が一筆書きの如く一連に引き回される。また、コイル７は、常にアーマチュア３（回転軸５）の回転方向一方向に向かって引き回される。図２では、コイル７は、右側に向かって引き回される。
すなわち、まず、コイル７は、巻き始め端７ａが１番セグメント１４に接続される。続いて、１番セグメント１４からＶ２（５）番ティース５０に、コイル７を順方向（図２における時計回り方向）に巻回して第２Ｖ相順コイル７２Ｖａを形成する。

続いて、Ｖ２（５）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７をＶ１（２）番ティース５０に順方向に巻回して第１Ｖ相順コイル７１Ｖａを形成する。
続いて、Ｖ１（２）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７を１２番セグメント１４のライザ１５に掛け回す。
続いて、１２番セグメント１４から６番セグメント１４のライザ１５に、コイル７を掛け回す。
続いて、６番セグメント１４からコイル７を引き出し、このコイル７をＷ２（６）番ティース５０に逆方向（図２における反時計回り方向）に巻回して第２Ｗ相逆コイル７２Ｗｂを形成する。

続いて、Ｗ２（６）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７をＷ１（３）番ティース５０に逆方向に巻回して第１Ｗ相逆コイル７１Ｗｂを形成する。
続いて、Ｗ１（３）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７を１１番セグメント１４のライザ１５に掛け回す。
続いて、１１番セグメント１４から５番セグメント１４のライザ１５に、コイル７を掛け回す。

続いて、５番セグメント１４からコイル７を引き出し、このコイル７をＵ１（１）番ティース５０に順方向に巻回して第１Ｕ相順コイル７１Ｕａを形成する。
続いて、Ｕ１（１）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７をＵ２（４）番ティース５０に順方向に巻回して第２Ｕ相順コイル７２Ｕａを形成する。
続いて、Ｕ２（４）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７を４番セグメント１４のライザ１５に掛け回す。

続いて、４番セグメント１４から１０番セグメント１４のライザ１５に、コイル７を掛け回す。
続いて、１０番セグメント１４からコイル７を引き出し、このコイル７をＶ１（２）番ティース５０に逆方向に巻回して第１Ｖ相逆コイル７１Ｖｂを形成する。
続いて、Ｖ１（２）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７をＶ２（５）番ティース５０に逆方向に巻回して第２Ｖ相逆コイル７２Ｖｂを形成する。

続いて、Ｖ２（５）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７を３番セグメント１４のライザ１５に掛け回す。
続いて、３番セグメント１４から９番セグメント１４のライザ１５に、コイル７を掛け回す。
続いて、９番セグメント１４からコイル７を引き出し、このコイル７をＷ１（３）番ティース５０に順方向に巻回して第１Ｗ相順コイル７１Ｗａを形成する。

続いて、Ｗ１（３）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７をＷ２（６）番ティース５０に順方向に巻回して第２Ｗ相順コイル７２Ｗａを形成する。
続いて、Ｗ２（６）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７を８番セグメント１４のライザ１５に掛け回す。
続いて、８番セグメント１４から２番セグメント１４のライザ１５に、コイル７を掛け回す。

続いて、２番セグメント１４からコイル７を引き出し、このコイル７をＵ２（４）番ティース５０に逆方向に巻回して第２Ｕ相逆コイル７２Ｕｂを形成する。
続いて、Ｕ２（４）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７をＵ１（１）番ティース５０に逆方向に巻回して第１Ｕ相逆コイル７１Ｕｂを形成する。

続いて、Ｕ１（１）番ティース５０からコイル７を引き出し、このコイル７を７番セグメント１４のライザ１５に掛け回す。
続いて、７番セグメント１４からコイル７を引き出し、コイル７の巻き終わり端７ｂを１番セグメント１４に接続する。これにより、コイル７の巻回作業が完了する。

（コイルの電気回路について）
次に、図３に基づいて、上記のように巻回されたコイル７の電気回路について説明する。
図３は、コイル７の電気回路を示す説明図である。
図３に示すように、例えば、１番セグメント１４と４番セグメント１４とに各々ブラシ２２が摺接されている場合、１番−４番セグメント１４間に、コイル７が直列に接続された回路が形成されるとともに、７番―１０番セグメント１４間に、コイル７が直列に接続された回路が形成される。これら２つの回路は、並列接続となる。このため、例えば、ブラシ２２に供給される電流値が４［ｉ］である場合、各回路に供給される電流は、それぞれ電流値が２［ｉ］となる。また、均圧線５２に供給される電流も、電流値が２［ｉ］となる。

このように、上述の実施形態では、ブラシ付きモータ１の小型化を図りつつ、各セグメント１４に、各ティース５０に巻回されたコイル７を接続することができる。このため、同電位のセグメン１４ト同士を接続したコイル７に流れる電流値が大きくなってしまうことを防止できる。

また、シングルフライヤによって、一筆書きの如く一連にコイル７の巻回作業を行うことができる。このため、巻線装置を簡素化できるとともに、コイル７の巻回作業を容易化できる。
また、ダブルフライヤによってコイル７を巻回する場合と比較して、シングルフライヤによってコイル７を巻回するので、コイル７の巻回数を減少でき、コイル７のコーティングの量を減らすことができる。この結果、コイル７の占積率を向上させることが可能になる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、ブラシ付きモータ１は、車両に搭載する電装品（例えば、パワーウインドウ）の駆動源として用いられる場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、さまざまな機器の駆動用としてブラシ付きモータ１を採用することができる。

１…ブラシ付きモータ（モータ）、２…ヨーク、３…アーマチュア、４…永久磁石（磁極）、５…回転軸、６…アーマチュアコア、７…コイル、７ａ…巻き始め端、７ｂ…巻き終わり端、１４…セグメント、２２…ブラシ、５０…ティース、５１…スロット

Claims (1)

1. ４極の磁極を有するヨークと、
   前記ヨークの径方向内側に回転自在に設けられる回転軸、前記回転軸に取り付けられ径方向外側に向かって放射状に延びる６個のティース、及び周方向に隣接する各前記ティース間に形成される６個のスロットを有するアーマチュアコアと、
   各前記ティースに、それぞれ巻回されるコイルと、
   前記回転軸に前記アーマチュアコアと隣接して設けられ１２個のセグメントを周方向に配置したコンミテータと、
   各前記セグメントを介して前記コイルに給電を行う複数のブラシと、
   を備え、
   前記ティースに周方向に１から６まで順に番号を付するとともに、前記セグメントに周回り方向に１から１２まで順に番号を付したとき、
   前記コイルは、
   巻き始め端が１番セグメントに接続され、
   １番セグメントから前記回転軸の回転方向の一方向に向かって引き回されて５番ティースに順方向に巻回され、
   ５番ティースから前記一方向に引き回されて２番ティースに順方向に巻回され、
   ２番ティースから前記一方向に引き回されて１２番セグメントに接続され、
   １２番セグメントから前記一方向に引き回されて６番セグメントに接続され、
   ６番セグメントから前記一方向に引き回されて６番ティースに前記順方向とは逆向きの逆方向に巻回され、
   ６番ティースから前記一方向に引き回されて３番ティースに逆方向に巻回され、
   ３番ティースから前記一方向に引き回されて１１番セグメントに接続され、
   １１番セグメントから前記一方向に引き回されて５番セグメントに接続され、
   ５番セグメントから前記一方向に引き回されて１番ティースに順方向に巻回され、
   １番ティースから前記一方向に引き回されて４番ティースに順方向に巻回され、
   ４番ティースから前記一方向に引き回されて４番セグメントに接続され、
   ４番セグメントから前記一方向に引き回されて１０番セグメントに接続され、
   １０番セグメントから前記一方向に引き回されて２番ティースに逆方向に巻回され、
   ２番ティースから前記一方向に引き回されて５番ティースに逆方向に巻回され、
   ５番ティースから前記一方向に引き回されて３番セグメントに接続され、
   ３番セグメントから前記一方向に引き回されて９番セグメントに接続され、
   ９番セグメントから前記一方向に引き回されて３番ティースに順方向に巻回され、
   ３番ティースから前記一方向に引き回されて６番ティースに順方向に巻回され、
   ６番ティースから前記一方向に引き回されて８番セグメントに接続され、
   ８番セグメントから前記一方向に引き回されて２番セグメントに接続され、
   ２番セグメントから前記一方向に引き回されて４番ティースに逆方向に巻回され、
   ４番ティースから前記一方向に引き回されて１番ティースに逆方向に巻回され、
   １番ティースから前記一方向に引き回されて７番セグメントに接続され、
   ７番セグメントから前記一方向に引き回されて１番セグメントに接続される、
   ことを特徴とするモータ。

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