(57)【要約】【課題】容易に特性を制御することができる新たな種類のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータを提供する。【解決手段】ブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ１は、ヨーク１１の略円盤状の平面から軸方向に突出するように、一方の磁極が軸方向の一方に揃えられた複数の永久磁石１２と複数の鉄心１３とが周方向に交互に配置されたステータ２と、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向外側及び内側に配置されるとともに周方向に巻回され、鉄心１３を経由する磁束を生成し制御するための円環状の外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２と、永久磁石１２及び鉄心１３と軸方向に対向するように配置される電機子コイル３３が巻装された周方向に複数の電機子コア部３２ｂと、ステータ２に備えられるブラシ１６が押圧接触され電機子コイル３３に電機子電流を供給するための整流子３４とを有するロータ３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヨークの略円盤状の平面から軸方向に突出するように、一方の磁極が軸方向の一方に揃えられた複数の永久磁石と複数の鉄心とが周方向に交互に配置されたステータと、
前記永久磁石及び前記鉄心の径方向外側及び内側の少なくとも一方に配置されるとともに周方向に巻回され、前記鉄心を経由する磁束を生成し制御するための円環状の励磁コイルと、
前記永久磁石及び前記鉄心と軸方向に対向するように配置される電機子コイルが巻装された周方向に複数の電機子コア部と、前記ステータに備えられるブラシが押圧接触され前記電機子コイルに電機子電流を供給するための整流子とを有するロータと
を備えたブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ。
【請求項２】
請求項１に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、
前記励磁コイルは、前記永久磁石及び前記鉄心の径方向外側及び内側の両方に配置されたことを特徴とするブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、
前記ロータは、前記電機子コア部及び前記整流子と一体回転する回転軸を有し、
前記ヨークの軸中心には、前記回転軸を回転可能に支持するための軸受が設けられ、
前記軸受は、磁性材料よりなることを特徴とするブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、
前記整流子は、前記電機子コア部の径方向内側に配置され、前記ブラシと軸方向に押圧接触されるものであることを特徴とするブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの駆動方法であって、
前記励磁コイルに供給する直流電流の向き及び値を変えることで、前記鉄心を経由する磁束を制御してトルク及び回転速度の特性を制御することを特徴とするブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ及びブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの駆動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モータにおいて、低速で高トルクを得ることのできるモータとしてハイブリッド励磁モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このようなハイブリッド励磁モータでは、励磁コイルに直流電流を供給することで磁束を増減させることができ、ひいてはモータの特性が制御可能とされている。
【特許文献１】特開平６−３５１２０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記したようなハイブリッド励磁モータは、ロータ側に永久磁石が設けられ、ステータに電機子コイルが設けられたブラシレスモータしか無かった。従って、ブラシ給電式のモータに関する異なる種類のハイブリッド励磁モータの実現が望まれていた。
【０００４】
本発明の目的は、容易に特性を制御することができる新たな種類のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ及びブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明では、ヨークの略円盤状の平面から軸方向に突出するように、一方の磁極が軸方向の一方に揃えられた複数の永久磁石と複数の鉄心とが周方向に交互に配置されたステータと、前記永久磁石及び前記鉄心の径方向外側及び内側の少なくとも一方に配置されるとともに周方向に巻回され、前記鉄心を経由する磁束を生成し制御するための円環状の励磁コイルと、前記永久磁石及び前記鉄心と軸方向に対向するように配置される電機子コイルが巻装された周方向に複数の電機子コア部と、前記ステータに備えられるブラシが押圧接触され前記電機子コイルに電機子電流を供給するための整流子とを有するロータとを備えたブラシ給電式ハイブリッド励磁モータを要旨とする。
【０００６】
同構成によれば、励磁コイルに直流電流を供給すると、ステータの永久磁石の間に設けた鉄心を経由する磁束が制御される。詳しくは、励磁コイルに供給する直流電流の向きに応じて、鉄心を経由する磁束が増磁又は減磁され、ひいては電機子コイルに鎖交する鎖交磁束が増減される。よって、永久磁石及び鉄心と電機子コア部とが軸方向に対向するアキシャルギャップ型でブラシ給電式のモータにおいて、容易に特性（トルク及び回転速度の特性）を制御することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、前記励磁コイルは、前記永久磁石及び前記鉄心の径方向外側及び内側の両方に配置されたことを要旨とする。
【０００８】
同構成によれば、励磁コイルは、永久磁石及び鉄心の径方向外側及び内側の両方に配置されるため、いずれか一方に配置した場合に比べて、前記鎖交磁束の増減幅を大きくすることができる。よって、特性（トルク及び回転速度の特性）を大幅に制御することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、請求項１又は２に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、前記ロータは、前記電機子コア部及び前記整流子と一体回転する回転軸を有し、前記ヨークの軸中心には、前記回転軸を回転可能に支持するための軸受が設けられ、前記軸受は、磁性材料よりなることを要旨とする。
【００１０】
同構成によれば、励磁コイルに直流電流を供給した際の磁気回路（磁路）の一部を構成する軸受が磁性材料よりなることから、前記鎖交磁束を効率良く増減させることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、前記整流子は、前記電機子コア部の径方向内側に配置され、前記ブラシと軸方向に押圧接触されるものであることを要旨とする。
【００１２】
同構成によれば、整流子は、電機子コア部の径方向内側に配置され、ブラシと軸方向に押圧接触されるものであるため、ブラシ給電式ハイブリッド励磁モータを径方向及び軸方向に小型化することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの駆動方法であって、前記励磁コイルに供給する直流電流の向き及び値を変えることで、前記鉄心を経由する磁束を制御してトルク及び回転速度の特性を制御することを要旨とする。
【００１４】
同発明の方法によれば、永久磁石及び鉄心と電機子コア部とが軸方向に対向するアキシャルギャップ型でブラシ給電式のモータの駆動方法において、励磁コイルに供給する直流電流の向き及び値を変えるだけで容易に特性（トルク及び回転速度の特性）を制御することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、容易に特性を制御することができる新たな種類のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ及びブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの駆動方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化した一実施の形態を図１〜図７に従って説明する。
図１に示すように、ブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ１は、ステータ２とロータ３とを備えている。
【００１７】
ステータ２は、図１〜図３に示すように、略円盤状のヨーク１１と、該ヨーク１１に固定される複数（本実施の形態では２個）の永久磁石１２、複数（本実施の形態では２個）の鉄心１３、軸受１４、及びブラシホルダ１５と、該ブラシホルダ１５に保持される一対のブラシ１６とを備える。
【００１８】
ヨーク１１の外縁には、軸方向に突出する筒状の筒状部１１ａが形成されている。又、ヨーク１１の内側中央には、２段階の段差を有して前記筒状部１１ａの突出する方向の反対方向に突出する内側突出部１１ｂが形成されている。又、内側突出部１１ｂの軸中心には軸方向に貫通する貫通孔１１ｃが形成されている。
【００１９】
そして、ヨーク１１の平面には、該平面から軸方向（筒状部１１ａが突出する方向）に突出するように、永久磁石１２と鉄心１３とが周方向に交互に配置固定されている。永久磁石１２及び鉄心１３は、図２及び図３に示すように、扇形状に形成され、それぞれ周方向に僅かな隙間を有して等角度間隔に配置されている。又、２つの永久磁石１２は、一方の磁極（本実施の形態ではＮ極）が軸方向の一方（本実施の形態では筒状部１１ａが突出する方向）に揃えられている。即ち、２つの永久磁石１２は、着磁方向が軸線方向の同じ方向に揃えられている。
【００２０】
又、ヨーク１１の内側突出部１１ｂにおける中央側には軸受１４が固定されている。本実施の形態の軸受１４は、ボールベアリングであって、磁性材料よりなる。又、ヨーク１１の内側突出部１１ｂにおける外側（軸受１４の径方向外側）には、環状のブラシホルダ１５が固定されている。そして、ブラシホルダ１５には、一対のブラシ１６が等角度（１８０°）間隔で保持されている。尚、このブラシ１６は、軸方向に沿って移動可能に保持されるとともに、図示しないスプリング等の付勢手段にて軸方向（筒状部１１ａが突出する方向）に付勢される。又、ブラシ１６には、図示しない外部の制御装置が電気的に接続される。
【００２１】
又、ヨーク１１において、前記永久磁石１２及び鉄心１３の径方向外側及び内側の両方には、周方向に巻回され、鉄心１３を経由する（後述する）磁束を生成し制御するための円環状の励磁コイルとしての外側励磁コイル２１と内側励磁コイル２２とが固定されている。外側励磁コイル２１は、永久磁石１２及び鉄心１３の外周面（外側の円弧面）とヨーク１１における筒状部１１ａの内周面との間でそれぞれの面と当接するように配置されている。又、内側励磁コイル２２は、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向内側であって、更に前記ブラシ１６の径方向内側に（ブラシホルダ１５と当接して）配置されている。これら外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２には、図示しない外部の制御装置が電気的に接続される。
【００２２】
ロータ３は、図１及び図３に示すように、回転軸３１と、略円盤状のロータコア３２と、電機子コイル３３と、整流子３４とを備える。
回転軸３１は、その一端側（図１中、上端側）が前記軸受１４にて回転可能に支持されている。ロータコア３２の中央には、固定孔３２ａが形成され、該固定孔３２ａには前記回転軸３１が挿通された状態で固定されている。
【００２３】
又、ロータコア３２において、前記永久磁石１２及び鉄心１３と軸方向に対向する径方向位置には、軸方向（前記対向する方向）に突出する電機子コア部３２ｂが周方向に等角度間隔で複数（本実施の形態では１６個）形成されている。この電機子コア部３２ｂは、図３に示すように、軸線方向から見て扇形状に形成されている。そして、各電機子コア部３２ｂには、それぞれ電機子コイル３３が巻装されている。この電機子コイル３３は、軸線方向から見て前記扇形状を周回するように巻装されている。
【００２４】
又、ロータコア３２において、電機子コア部３２ｂの径方向内側であって、前記ブラシ１６と軸方向に対向する径方向位置には、該ブラシ１６が押圧接触され、該ブラシ１６及び自身を介して前記電機子コイル３３に電機子電流を供給するための整流子３４が固定されている。整流子３４は、図１及び図３に示すように、ロータコア３２上に固定された環状の絶縁樹脂３４ａ（図１参照）と、該絶縁樹脂３４ａ上において周方向に複数並設された整流子セグメント３４ｂとからなる。そして、前記ブラシ１６は、前記整流子セグメント３４ｂ上を周方向に沿って摺接可能とされている。
【００２５】
又、ロータコア３２は、その外縁（前記電機子コア部３２ｂより径方向外側の部分）が前記ヨーク１１の筒状部１１ａと軸方向に対向すべく該筒状部１１ａの外周位置と同じ径方向位置まで形成されている。
【００２６】
ここで、上記のように構成されたブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ１において、前記外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に直流電流を供給した場合の作用について説明する。
【００２７】
まず、外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に直流電流を供給しない場合（これを通常の場合とする）、鉄心１３を経由する磁束φ１は、永久磁石１２の磁力にのみ基づいたものとなり、図４に示すように、電機子コア部３２ｂから鉄心１３を経由してヨーク１１に向かうものとなる。尚、図４は、模式的に矢印で示す磁束φ１を視覚的に分かり易くするために、図１に示す断面図のハッチングを除去した説明図として図示している。
【００２８】
次に、図５に示すように、平面視で、外側励磁コイル２１に反時計回り方向に直流電流を供給し、内側励磁コイル２２に時計回り方向に直流電流を供給した場合、鉄心１３を経由する磁束φ２は、新たに外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に基づいたものが加えられ、増磁されることになる。尚、図５は、模式的に矢印で示す磁束φ２を視覚的に分かり易くするために、図１に示す断面図のハッチングを除去した説明図として図示している。
【００２９】
反対に、図６に示すように、平面視で、外側励磁コイル２１に時計回り方向に直流電流を供給し、内側励磁コイル２２に反時計回り方向に直流電流を供給した場合、鉄心１３を経由する磁束φ３は、新たに外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に基づいたものが加えられ、減磁されることになる。尚、図６は、模式的に矢印で示す磁束φ３を視覚的に分かり易くするために、図１に示す断面図のハッチングを除去した説明図として図示している。
【００３０】
又、図７は、外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に供給する直流電流の電流値Ｉａと、電機子コイル３３に鎖交する鎖交磁束の増減率との関係を示す。
図７において、中央は、図４に示す通常の場合である。
【００３１】
そして、図７において、右半分、即ち電流値Ｉａのプラス側（０〜５００［ＡＴ］）は、図５に示すように、平面視で、外側励磁コイル２１に反時計回り方向に直流電流を供給し、内側励磁コイル２２に時計回り方向に直流電流を供給した（増磁した）場合であって、鎖交磁束の増減率は、電流値Ｉａのプラス側の増加に応じて大きくなる。
【００３２】
又、図８において、左半分、即ち電流値Ｉａのマイナス側（０〜−５００［ＡＴ］）は、図６に示すように、平面視で、外側励磁コイル２１に時計回り方向に直流電流を供給し、内側励磁コイル２２に反時計回り方向に直流電流を供給した（減磁した）場合であって、鎖交磁束の増減率は、電流値Ｉａのマイナス側の増加に応じて小さくなる。
【００３３】
次に、上記実施の形態の特徴的な作用効果を以下に記載する。
（１）外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に直流電流を供給すると、ステータ２の永久磁石１２の間に設けた鉄心１３を経由する磁束が制御される。詳しくは、外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に供給する直流電流の向き（及び値（電流値Ｉａの絶対値））に応じて、鉄心１３を経由する磁束が増磁（図５参照）又は減磁（図６参照）され、ひいては電機子コイル３３に鎖交する鎖交磁束が増減される（図７参照）。よって、永久磁石１２及び鉄心１３と電機子コア部３２ｂとが軸方向に対向するアキシャルギャップ型でブラシ給電式のモータ（本実施の形態のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ１）において、容易に特性（トルク及び回転速度の特性）を制御することができる。尚、前述したように増磁した場合、その特性は、高トルク、低回転速度となり、減磁した場合、その特性は、低トルク、高回転速度となる。
【００３４】
（２）励磁コイルを、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向外側及び内側の両方に配置した（外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２を設けた）ため、いずれか一方に配置した場合に比べて、前記鎖交磁束の増減幅を大きくすることができる。よって、特性（トルク及び回転速度の特性）を大幅に制御することができる。
【００３５】
（３）軸受１４は、磁性材料よりなる。このようにすると、外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２に直流電流を供給した際の磁気回路（磁路）の一部を構成する軸受１４が磁性材料よりなることから、前記鎖交磁束を効率良く増減させることができる。
【００３６】
（４）整流子３４は、電機子コア部３２ｂの径方向内側に配置され、ブラシ１６と軸方向に押圧接触されるものであるため、ブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ１を径方向及び軸方向に小型化することができる。
【００３７】
上記実施の形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施の形態では、励磁コイルを、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向外側及び内側の両方に配置した（外側励磁コイル２１及び内側励磁コイル２２を設けた）が、径方向外側及び内側の少なくとも一方に配置すればよい。
【００３８】
例えば、図８及び図９に示すように、励磁コイルを、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向外側のみに配置した（外側励磁コイル２１のみ設け、上記実施の形態の内側励磁コイル２２を削除した）構成としてもよい。又、逆に、図１０及び図１１に示すように、励磁コイルを、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向内側のみに配置した（内側励磁コイル２２のみ設け、上記実施の形態の外側励磁コイル２１を削除した）構成としてもよい。
【００３９】
このようにしても、上記実施の形態と同様に鉄心１３を経由する磁束を制御することができるが、その制御できる幅は上記実施の形態に比べて小さくなる。図１２は、外側励磁コイル２１のみの場合（図８及び図９参照）の外側励磁コイル２１に供給する直流電流の電流値Ｉａと、電機子コイル３３に鎖交する鎖交磁束の増減率との関係を示す。又、図１３は、内側励磁コイル２２のみの場合（図１０及び図１１参照）の内側励磁コイル２２に供給する直流電流の電流値Ｉａと、電機子コイル３３に鎖交する鎖交磁束の増減率との関係を示す。図１２及び図１３から分かるように、外側励磁コイル２１のみの場合（図８及び図９参照）、内側励磁コイル２２のみの場合（図１０及び図１１参照）に比べて、前記鎖交磁束を効率良く増減させることができる。即ち、励磁コイルを、永久磁石１２及び鉄心１３の径方向外側のみに配置した場合（図８及び図９参照）の前記鎖交磁束の増減幅（図１２参照）は、径方向内側のみに配置した場合（図１０及び図１１参照）の前記鎖交磁束の増減幅（図１３参照）より大幅に大きいため、前記鎖交磁束を効率良く（効果的に）増減させることができる。
【００４０】
・上記実施の形態では、整流子３４は、電機子コア部３２ｂの径方向内側に配置され、ブラシ１６と軸方向に押圧接触されるものであるとしたが、これに限定されず、他の構成でブラシ１６と押圧接触されるものとしてもよい。
【００４１】
上記各実施の形態から把握できる技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
（イ）請求項１に記載のブラシ給電式ハイブリッド励磁モータにおいて、前記励磁コイルは、前記永久磁石及び前記鉄心の径方向外側のみに配置されたことを特徴とするブラシ給電式ハイブリッド励磁モータ。
【００４２】
同構成によれば、励磁コイルは、永久磁石及び鉄心の径方向外側のみに配置されるため、例えば、内側のみに配置した場合に比べて、前記鎖交磁束を効率良く増減させることができる（図１２及び図１３参照）。即ち、励磁コイルを、永久磁石及び鉄心の径方向外側のみに配置した場合の前記鎖交磁束の増減幅（図１２参照）は、径方向内側のみに配置した場合の前記鎖交磁束の増減幅（図１３参照）より大幅に大きいため、前記鎖交磁束を効率良く（効果的に）増減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施の形態におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの断面図であって、図２のＢ−Ｂ線と対応した断面図。
【図２】本実施の形態におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの断面図であって、図１のＡ−Ａ線と対応した断面図。
【図３】本実施の形態におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの一部断面分解斜視図。
【図４】本実施の形態における磁束の流れを説明するための模式説明図。
【図５】本実施の形態における磁束の流れを説明するための模式説明図。
【図６】本実施の形態における磁束の流れを説明するための模式説明図。
【図７】本実施の形態における励磁コイルの電流値−鎖交磁束の増減率特性図。
【図８】別例におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの断面図であって、図９のＢ−Ｂ線と対応した断面図。
【図９】別例におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの断面図であって、図８のＡ−Ａ線と対応した断面図。
【図１０】別例におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの断面図であって、図１１のＢ−Ｂ線と対応した断面図。
【図１１】別例におけるブラシ給電式ハイブリッド励磁モータの断面図であって、図１０のＡ−Ａ線と対応した断面図。
【図１２】別例における励磁コイルの電流値−鎖交磁束の増減率特性図。
【図１３】別例における励磁コイルの電流値−鎖交磁束の増減率特性図。
【符号の説明】
【００４４】
２…ステータ、３…ロータ、１１…ヨーク、１２…永久磁石、１３…鉄心、１４…軸受、１６…ブラシ、２１…外側励磁コイル（励磁コイル）、２２…内側励磁コイル（励磁コイル）、３１…回転軸、３２ｂ…電機子コア部、３３…電機子コイル、３４…整流子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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