(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動可能に保持される界磁と、電機子及び該電機子に巻かれた電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子に交流電源を給電するブラシと、該界磁の回転を所定の弾力で制動するバネとを備え、
該ブラシに交流電源が印加されないとき、該ブラシの電気角は略９０°に保持され、交流電源が印加された場合、該界磁及び該電機子が発生する磁束により電機子が回転始動する起動トルクに起因する反作用により前記界磁を回転させて、該ブラシの電気角を０°方向に接近させることで、該界磁及び／又は該電機子コイルのインダクタンスを増大させ、交流電源印加時の突入電流を抑制することを特徴とする整流子式交流電動機。
【請求項２】
固定された界磁と、電機子及び該電機子に巻かれた電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子に交流電源を給電するブラシとを備え、
前記ブラシを整流子の周方向に回動可能に構成するとともに、
該ブラシに交流電源が印加されないとき、該ブラシの電気角は略９０°に保持され、交流電源が印加された場合、該ブラシの電気角を０°方向に接近させるようブラシを回動させることで、該界磁及び／又は該電機子コイルのインダクタンスを増大させ、交流電源印加時の突入電流を抑制することを特徴とする整流子式交流電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機に係り、特に電機子にブラシ及び整流子を介して給電する整流子型交流電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電機子に対してブラシ及び整流子を介して給電する整流子型交流電動機は、掃除機等の電化製品に広く用いられている。また、この種の整流子型交流電動機は、高回転速度及び高回転出力の大型電動機として動力用等に用いられることも多い。
【０００３】
この種の整流子型交流電動機においては、起動時の突入電流が大きく、駆動電源及び構成部品等を損傷する危険があり、これらを高耐電流に構成しなければならない。また、整流子型交流電動機においては、回転速度及び回転出力の柔軟な制御が困難である。
【０００４】
従来、整流子型交流電動機におけるこれらの問題に対処するためには、駆動制御回路に突入電流抑制用の抵抗を挿入して、過大な突入電流が流れるのを防止するようにしたり、駆動電源の周波数制御又は位相制御を行うようにしたりしていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、突入電流は、定常的あるいは静的に生起するものではなく、いわば動的に発生する現象であり、単なる抑制用抵抗の挿入による過大な突入電流の抑制は、複雑な構成を必要とするなど、限界がある。また、駆動電源の周波数制御や位相制御等のような、煩雑な制御を行うためには、極めて複雑な構成を必要とし、しかもこのような制御を行っても、微細な回転速度及び回転出力の調整は困難である。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、主として機械的な制御を用いる簡単な構成により、整流子型電動機の突入電流を効果的に抑制し、回転速度及び回転出力の柔軟な制御を行うことを可能とする電動機を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点による整流子式交流電動機は、回動可能に保持される界磁と、電機子及び該電機子に巻かれた電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子に交流電源を給電するブラシと、該界磁の回転を所定の弾力で制動するバネとを備え、該ブラシに交流電源が印加されないとき、該ブラシの電気角は略９０°に保持され、交流電源が印加された場合、該界磁及び該電機子が発生する磁束により電機子が回転始動する起動トルクに起因する反作用により前記界磁を回転させて、該ブラシの電気角を０°方向に接近させることで、該界磁及び／又は該電機子コイルのインダクタンスを増大させ、交流電源印加時の突入電流を抑制することを特徴とする。
【０００８】
この発明の第２の観点による整流子式交流電動機は、固定された界磁と、電機子及び該電機子に巻かれた電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子に交流電源を給電するブラシとを備え、前記ブラシを整流子の周方向に回動可能に構成するとともに、該ブラシに交流電源が印加されないとき、該ブラシの電気角は略９０°に保持され、交流電源が印加された場合、該ブラシの電気角を０°方向に接近させるようブラシを回動させることで、該界磁及び／又は該電機子コイルのインダクタンスを増大させ、交流電源印加時の突入電流を抑制することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態に係る電動機を説明する。
【００１６】
図１及び図２は、この発明の第１の実施の形態に係る整流子型電動機の構成を示している。図１は、整流子型電動機の原理的な構成を模式的に示しており、図２は、その駆動制御系の構成を模式的に示している。
【００１７】
図１に示す整流子型電動機は、界磁１、電機子２、ブラシ３、整流子４及び界磁トルク制御部５を備えている。
【００１８】
界磁１は例えば一対の磁極を有する固定子を構成しており、該界磁１は、磁極を介して電機子２に対して磁界を印加する。界磁１は、電磁石により構成する。
【００１９】
電機子２は、図示していない回転支持部により回転自在に支持されており、界磁１からなる固定子の生成磁界中で回転する回転子を構成する。該電機子２は、界磁１の磁極との間で磁気反発力及び磁気吸引力を生じさせて所定の回転力を得るための、例えば一対の磁極を有している。
【００２０】
ブラシ３は、整流子４に摺接し、該整流子４を介して駆動電流を電機子２に給電する。整流子４は、ブラシ３から供給される駆動電流を、回転力を得るための所要のタイミング及び極性で電機子２に供給する。
【００２１】
界磁トルク制御部５は、界磁１を一体的に、電機子２とほぼ共通の軸線に対して回動可能に支持し、且つ電機子２の回転の反作用に抗するトルクを作用させるとともに、該界磁１のトルクを調整制御する。
【００２２】
この電動機は、駆動電流が交流であること、及び電機子２等が電磁石として構成され、線輪（コイル）を用いていることから交流インダクタンスを持たせるよう構成する。
【００２３】
すなわち、第１の状態において、界磁１の磁極と電機子２の磁極との間の磁気経路が最短距離のとき、これら界磁１の磁極及び電機子２の磁極により生成される磁束の方向が同一となるように、ブラシ３を配置する。この状態のとき、ブラシ３からみた交流インダクタンスが最も大きくなり、電機子２に供給される電機子電流が最小となる。また、第２の状態においては、通常通り界磁１の磁極と電機子２の磁極が最も離れ、例えば図１の場合、界磁１の磁極面における磁束の方向と電機子２の磁極面における磁束の方向は９０°の角度をなす。
【００２４】
これら第１及び第２の状態の２つの状態を、電機子２の回転に基づく界磁１の反作用に抗する回転トルク及びそれに伴う機械的配置の調整により変化させることによって、突入電流の制限及び回転速度／回転出力を制御することができる。
【００２５】
すなわち、ブラシ３は、通常の場合、界磁１の磁極に対して９０°の角度、つまり位相が９０°ずれた位置、に電機子２の磁極が形成される位置に配置される。これに対して界磁１の回転トルクの調整により、界磁１の磁極位置をずらし、電機子２の磁極を相対的に回転方向にシフトさせると、界磁１の磁極と電機子２の磁極とが同一方向に近づき（位相差が減少し）、次第に、インダクタンスが増大して、回転速度が低下する。さらに、磁極位置を相対的にずらして、同方向つまり位相差が０°となると、電機子２の回転は停止する。さらに、０°を超えて位置をずらすと、今度は電機子２が逆回転するようになる。
【００２６】
一方、通常の位置、つまり界磁１の磁極に対して９０°の角度、つまり位相が９０°ずれた位置、に電機子２の磁極が形成される位置から、回転方向とは逆に位相差が９０°を超える方向（例えば位相差が１００°の方向など）に電機子２の磁極がずれるようにすると、インダクタンスが減少し、位相差が１８０°未満の間（１８０°に達するまでの間）は、電流が増大して回転速度が上昇する。
【００２７】
図１のように構成した電動機の制御系は、例えば図２のように構成する。図２に示す電動機制御系は、駆動電源１１、制御装置１２、トルク調整部１３及び界磁保持部１４を備えている。トルク調整部１３及び界磁保持部１４は、界磁トルク制御部５を構成する。
【００２８】
駆動電源１１は、ブラシ３及び整流子４を介して電機子２に駆動電流を印加する。制御装置１２は、所要の回転速度及び回転出力に応じて、上述した界磁１の反作用に抗する回転トルクを制御すべく界磁トルク制御部５のトルク調整部１３を制御する。
【００２９】
トルク調整部１３は、制御装置１２の制御に基づき界磁１の反作用に抗する回転トルクを調整する。このトルク調整部１３の調整による界磁１の反作用に抗する回転トルクの調整に伴って、電機子２の回転に基づく界磁1の回転角度位置も制御される。界磁保持部１４は、界磁１を一体的に保持し且つ電機子２とほぼ共通の軸線について、トルク調整部１３により調整された回転トルクを作用させる。
【００３０】
これらトルク調整部１３及び界磁保持部１４による制御は、界磁１の反作用の回転トルク制御であるので、界磁１に与えられる回転トルクは、電機子２の回転に伴う反作用の大きさに対して、界磁１の適切なる回転位置で均衡する。このため、突入電流が過大となり反作用が増大しようとすると、界磁１の回転位置が変化し、反作用及び突入電流を抑制する方向に作用する。なお、トルク調整部１３を駆動電源１１により供給する電機子電流に応じて制御するようにして、さらに突入電流を抑制するようにしても良い。
【００３１】
次に、以上のように構成される電動機の機能及び動作について詳細に説明する。
【００３２】
駆動電源１１により駆動電流がブラシ３及び整流子４を介して電機子２に所定の極性及び位相にて供給されると、固定子である界磁１の磁極より発生する磁束内に配置された、電機子２の磁極に磁束が発生する。この電機子２の磁極に発生する磁束により、界磁１と電機子２の磁極間に磁気反発力及び磁気吸引力が発生し、回転子である電機子２が回転する。電機子２の回転時には、ブラシ３が摺接している整流子４により、電機子２に給電される駆動電流の極性位相が変化し、電機子２の連続的な回転を維持する。
【００３３】
なお、図面においては、理解を容易ならしめるために、界磁１及び電機子２の磁極をそれぞれ２個ずつとした２極電動機として示しているが、２極電動機の場合には別途に回転動作を開始させるための起動手段が必要となる場合があり、そのため通常の場合は３極以上の多極電動機として構成することが望ましい。
【００３４】
電機子２の回転に伴い、界磁１には、電機子２の回転に抗する反作用が発生する。この反作用に抗する回転トルクが、界磁トルク制御部５においてトルク調整部１３により界磁保持部１４により保持する界磁１に作用する。上述したように、界磁１に与えられる回転トルクは、電機子２の回転に伴う反作用の大きさに対して界磁１が適切なる回転位置にあるときに均衡する。突入電流が過大となり反作用が増大しようとすると、界磁１の回転位置が変化し、反作用及び突入電流を抑制する。
【００３５】
このため、制御装置１２によりトルク調整部１３を制御して、反作用に抗する界磁１の回転トルクを調整すると、電機子２の回転速度及び回転出力を所望の値とすることができる。
【００３６】
すなわち、制御装置１２による界磁トルク制御部５（トルク調整部１３）の制御により、負荷の状態に応じて回転速度及び回転出力の少なくとも一方を自由に制御調整すること、及び起動時の突入電流を抑制することができる。このため、インダクタンス負荷に弱い半導体制御を行わなくとも良好な電動機制御が可能となる。
【００３７】
図３は、この発明の第２の実施の形態に係る整流子型電動機の駆動制御系の構成を模式的に示している。この場合、整流子型電動機そのものは、図１に示したのと同様の構成を有している。
【００３８】
図３に示す電動機の制御系は、電動機の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を高精度に制御するための電動機制御系である。図３に示す電動機制御系は、図２と同様の駆動電源１１、トルク調整部１３及び界磁保持部１４に加えて、図２の制御装置１２とほぼ同様の制御装置１２′及び電動機の回転子である電機子２の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を検出するセンサ１５を備えている。
【００３９】
センサ１５は、電動機の電機子２の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を検出して制御装置１２′にフィードバックする。制御装置１２′は、センサ１５で検出される回転速度及び回転出力の少なくとも一方が別途に設定された値になるように界磁トルク制御部５のトルク調整部１３を制御する。
【００４０】
このような構成とすれば、制御装置１２′により、センサ１５の出力に応じてトルク調整部１３を制御して、反作用に抗する界磁１の回転トルクを調整することにより、電機子２の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を、所望の値に応じて高精度に制御調整することができる。
【００４１】
図４及び図５は、この発明の第３の実施の形態に係る整流子型電動機の構成を示している。図４は、整流子型電動機の原理的な構成を模式的に示しており、図５は、その駆動制御系の構成を模式的に示している。
【００４２】
図４に示す整流子型電動機は、図１と同様の界磁１、電機子２、及び整流子４に加えて、ブラシ２１、付勢装置２２、ソレノイド２３及び調整抵抗２４を備えている。
【００４３】
ブラシ２１は、図１のブラシ３とほぼ同様の機能を有し、さらに整流子４に対する摺接回転角度位置を変更し得る。付勢装置２２は、例えばスプリング等からなり、該ブラシ２１を所定位置に付勢する。ソレノイド２３は、偏倚操作手段を構成し、ブラシ２１の中間部にアクチュエータ２３ａを結合し、該ブラシ２１の中間部を吸引して偏倚させ、該ブラシ２１の整流子４に摺接する回転角度位置を電機子２の回転軸周りに回動偏倚させる。このソレノイド２３の励磁コイルには、ブラシ２１を介して電機子２に供給する電気電流等の負荷電流が供給されており、該ソレノイド２３は、負荷電流に応じて励磁駆動される。さらに、ソレノイド２３の励磁コイルに並列に変位調整手段としての調整抵抗２４が挿入され、該調整抵抗２４の抵抗値を変化させることにより、該ソレノイド２３の励磁電流を制御し、ソレノイド２３の吸引量すなわちブラシ２１の回動偏倚量を制御調整する。
【００４４】
この電動機も、駆動電流が交流であること、及び電機子２等が電磁石として構成され、線輪を用いていることから交流インダクタンスを持たせるよう構成する。そして、第１の状態において、界磁１の磁極と電機子２の磁極との間の磁気経路が最短距離のとき、これら界磁１の磁極及び電機子２の磁極により生成される磁束の方向が同一となるように、ブラシ２１を配置し、この状態のとき、交流インダクタンスが最も大きくなり、電機子２に供給される電機子電流が最小となる。また、第２の状態において、界磁１の磁極と電機子２の磁極が最も離れ、例えば図４の場合、界磁１の磁極面における磁束の方向と電機子２の磁極面における磁束の方向は９０°の角度をなす。これら第１及び第２の状態の２つの状態を、ブラシ２１の機械的配置すなわち回動偏倚量の調整により変化させることによって、突入電流の制限及び回転速度／回転出力を制御することができる。
【００４５】
すなわち、ブラシ２１は、通常の場合、界磁１の磁極に対して９０°の角度、つまり位相が９０°ずれた位置、に電機子２の磁極が形成される位置に配置される。これに対してブラシ２１の位置の調整により、ブラシ２１の回動偏倚により、電機子２の磁極を界磁１の磁極に対して相対的に回転方向にシフトさせると、界磁１の磁極と電機子２の磁極とが同一方向に近づいて位相差が減少し、次第に、インダクタンスが増大して、回転速度が低下する。さらに、ブラシ２１の回動偏倚により、相対的な磁極位置をずらして、同方向つまり位相差が０°となると、電機子２の回転は停止する。さらに、０°を超えて位置をずらすと、今度は電機子２が逆回転するようになる。
【００４６】
一方、通常の位置、つまり界磁１の磁極に対して９０°の角度、つまり位相が９０°ずれた位置、に電機子２の磁極が形成される位置から、ブラシ２１の回動偏倚により、回転方向とは逆に位相差が９０°を超えて増大する方向に電機子２の磁極がずれるようにすると、インダクタンスが減少し、位相差が１８０°に達するまでの間は、電流が増大して回転速度が上昇する。
【００４７】
図４のように構成した電動機の制御系は、例えば図５のように構成する。図５に示す電動機制御系は、図２と同様の駆動電源１１及び制御装置１２に加えて、電機子電流制御部３１及びブラシ位置制御部３２を備えている。ブラシ位置制御部３２は、ソレノイド２３及びソレノイド電流調整部２４ａを含む。
【００４８】
電機子電流制御部３１は、駆動電源１１からブラシ２１に供給する電機子電流を制御する部分であり、この電機子電流制御部３１から電機子電流の一部を、ブラシ位置制御部３２のソレノイド電流調整部２４ａに供給する。
【００４９】
ブラシ位置制御部３２は、電機子電流制御部３１から供給される電機子電流の一部をソレノイド電流調整部２４ａにより、制御調整してソレノイド２３に供給する。ソレノイド電流調整部２４ａは、電機子電流制御部３１から供給される電機子電流の一部を、制御装置１２の制御に応じて制御調整して、ソレノイド２３に供給し、駆動することにより、ブラシ２１の回動偏倚量を制御する。
【００５０】
ソレノイド２３の励磁電流は、負荷電流、例えば電機子電流に比例しているから、ブラシ２１の回動偏倚量は、負荷電流に応じた値となり、負荷電流すなわち突入電流が過大にならないように自動制御することができる。
【００５１】
このように構成される電動機においては、駆動電源１１により駆動電流がブラシ２１及び整流子４を介して電機子２に所定の極性及び位相にて供給されると、固定子である界磁１の磁極より発生する磁束内に配置された、電機子２の磁極に磁束が発生する。この電機子２の磁極に発生する磁束により、界磁１と電機子２の磁極間に磁気反発力及び磁気吸引力が発生し、回転子である電機子２が回転する。電機子２の回転時には、ブラシ２１が摺接している整流子４により、電機子２に給電される駆動電流の極性位相が変化し、電機子２の連続的な回転を維持する。なお、同図においても、理解を容易ならしめるために、界磁１及び電機子２の磁極をそれぞれ２個ずつとした２極電動機として示しているが、２極電動機の場合には別途に回転動作を開始させるための起動手段が必要となる場合があり、そのため通常の場合は３極以上の多極電動機として構成することが望ましい。
【００５２】
電機子２の回転に伴い、電機子電流制御部３１から電機子２に供給される電機子電流が変化し、それに応じて、ソレノイド電流調整部２４ａを介してソレノイド２３に供給される励磁電流が変化する。このため、突入電流により負荷電流が過大となり反作用が増大しようとすると、ブラシ２１の整流子４に対する回転角度位置が変化し、突入電流を効果的に抑制する。
【００５３】
このため、制御装置１２によりブラシ位置制御部３２のソレノイド電流調整部２４ａを制御して、ブラシ２１の接触回転角度の回動偏倚量を調整すると、電機子２の回転速度及び回転出力を所望の値に制御調整することができる。
【００５４】
すなわち、制御装置１２によるブラシ位置制御部３２（ソレノイド電流調整部２４ａ）の制御により、負荷の状態に応じて回転速度及び回転出力の少なくとも一方を自由に制御調整すること、及び起動時の突入電流を抑制することができる。このようにしても、インダクタンス負荷に弱い半導体制御を用いなくとも良好な電動機制御が可能となる。
【００５５】
図６は、この発明の第４の実施の形態に係る整流子型電動機の駆動制御系の構成を模式的に示している。この場合、整流子型電動機そのものは、図４に示したのと同様の構成を有している。
【００５６】
図６に示す電動機の制御系は、電動機の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を高精度に制御するための電動機制御系である。図６に示す電動機制御系は、図５と同様の駆動電源１１、電機子電流制御部３１及びブラシ位置制御部３２に加えて、図５の制御装置１２とほぼ同様の制御装置１２′及び電動機の回転子である電機子２の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を検出するセンサ１５を備えている。
【００５７】
センサ１５は、電動機の電機子２の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を検出して制御装置１２′にフィードバックする。制御装置１２′は、センサ１５で検出される回転速度及び回転出力の少なくとも一方が別途に設定された値になるようにブラシ位置制御部３２のソレノイド電流調整部２４ａを制御する。
【００５８】
このような構成とすれば、制御装置１２′により、センサ１５の出力に応じてソレノイド電流調整部２４ａを制御して、ブラシ２１の回動偏倚量を調整することにより、電機子２の回転速度及び回転出力の少なくとも一方を、所望の値に応じて高精度に制御調整することができる。
【００５９】
なお、図１〜図３に示した界磁のトルク制御と図４〜図６に示したブラシ偏倚制御とを組み合わせて構成しても良い。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、主として機械的な制御を用いる簡単な構成により、整流子型電動機の交流電源印加時の突入電流を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態に係る整流子型電動機の構成を示す模式図である。
【図２】図１の電動機に用いる制御系の構成を示す模式的ブロック図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態に係る整流子型電動機の制御系の構成を示す模式的ブロック図である。
【図４】この発明の第３の実施の形態に係る整流子型電動機の構成を示す模式図である。
【図５】図４の電動機に用いる制御系の構成を示す模式的ブロック図である。
【図６】この発明の第４の実施の形態に係る整流子型電動機の制御系の構成を示す模式的ブロック図である。
【符号の説明】
１          界磁
２          電機子
３          ブラシ
４          整流子
５          界磁トルク制御部
１１        駆動電源
１２        制御装置
１２′      制御装置
１３        トルク調整部
１４        界磁保持部
１５        センサ
２１        ブラシ
２２        付勢装置
２３        ソレノイド
２３ａ      アクチュエータ
２４        調整抵抗
３１        電機子電流制御部
３２        ブラシ位置制御部
【図１】
0003693845.tif 000002
【図２】
0003693845.tif 000003
【図３】
0003693845.tif 000004
【図４】
0003693845.tif 000005
【図５】
0003693845.tif 000006
【図６】
0003693845.tif 000007