(57)【要約】【課題】多くの直流電気モータの動作中に作られる高周波信号は、容易にモータ出力シャフトと連結され、出力シャフトを通ってモータ外に放射され、望ましくない電磁干渉（ＥＭＩ）を作りだす。その結果、ＥＭＩ特性を改善した直流電気モータが必要となる。【解決手段】直流電流モータ（１０）は、回転可能にステータ（２０）に取り付けられたロータ（３０）を含む。ロータ（３０）は、出力シャフト（３１）、ロータコア（３３）、及びロータコア（３３）に巻かれ、出力シャフト（３１）上の整流子（３４）と電気的につながった複数の巻き線コイル（３５）、を含む。絶縁スリーブ（３２）は出力シャフト（３１）とロータコア（３３）の間に配置され、出力シャフト（３１）とロータコア（３３）の間にコンデンサを形成し、それにより、巻き線コイル（３５）の変動により引き起こされるＥＭＩを低減する。【選択図】図１
2014187870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ、及び
前記ステータ内で回転するように構成されたロータ、を備えた直流電気モータであって、
前記ステータは、
外側シェルと、
前記外側シェルに固定された複数の磁石と、
前記外側シェル上に配置された複数のブラシと、を備え、
前記ロータは、
出力シャフトと、
ロータコアと、
前記出力シャフトに固定され、前記複数のブラシと摺動接触する整流子と、
前記ロータコアに巻きつけられ、前記整流子と電気的につながる複数の巻き線コイルと、を備え、
前記出力シャフトと前記ロータコアの間に配置され、前記出力シャフトと前記ロータコアに固定して取り付けられる、絶縁スリーブをさらに有する、ことを特徴とする直流電気モータ。
【請求項２】
前記出力シャフト、前記ロータコア、及び前記絶縁スリーブは、第一静電容量を持つ第一コンデンサを形成し、
前記ロータコア及び前記外側シェルは、前記第一静電容量以上の容量である第二静電容量を持つ第二コンデンサを形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電気モータ。
【請求項３】
前記出力シャフト、前記ロータコア、及び前記絶縁スリーブは、第一静電容量を持つ第一コンデンサを形成し、
前記ロータコア、前記外側シェル、及び前記ロータコアと前記外側シェルの間の空隙は、第二静電容量を持つ第二コンデンサを形成し、
前記第二静電容量の前記第一静電容量に対する比率が０．１から５０の間である、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電気モータ。
【請求項４】
前記出力シャフトは、前記絶縁スリーブと接続するよう構成された、前記出力シャフトの放射状の外面における複数の構造的特徴を含み、
前記ロータコアは、前記ロータコアの放射状の内面における複数の構造的特徴を含み、
前記絶縁スリーブは、前記ロータコアの放射状の内面における前記複数の構造的特徴と結合する、前記絶縁スリーブの放射状の外面における複数の構造的特徴を含む、ことを特徴とする請求項１記載の直流電気モータ。
【請求項５】
前記絶縁スリーブは、射出成形によって、前記出力シャフトに固定して取り付けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電気モータ。
【請求項６】
前記外側シェルは、モータの動作中に接地される、ことを特徴とする請求項１に記載の直流電気モータ。
【請求項７】
直流電気モータを組み立てる方法であって、
前記直流電気モータの出力シャフトの外面の少なくとも一部に絶縁スリーブを型で作るステップと、
ロータコアの内面が前記絶縁スリーブの外面に固定されるように、前記絶縁スリーブの外面上に前記ロータコアを取り付けるステップと、を有する方法。
【請求項８】
前記出力シャフトの外面における複数の構造的特徴を形成するステップと、
前記ロータの内面における複数の構造的特徴を形成するステップと、をさらに有する請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記直流電気モータの前記出力シャフトの外面の少なくとも一部に絶縁スリーブを型で作るステップは、射出成形を使用して前記絶縁スリーブを前記出力シャフトへ固定的に取り付けるステップ、を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記直流電気モータの前記出力シャフトの外面の少なくとも一部に絶縁スリーブを型で作るステップは、前記直流電気モータの前記ロータコアと外側シェルの間の第二静電容量の、前記出力シャフトと前記ロータコアの間の第一静電容量に対する比率は０．１から５０の間である、前記第一静電容量を有する第一コンデンサを形成するために、前記絶縁スリーブの厚さと誘電係数を選択するステップ、を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の実施形態は、直流電気モータ、より詳細には直流電気モータにおけるＥＭＩを低減するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
安全上の懸念から、交流電気モータ用の現在のガイドラインと規制は、ある一定の値を超える電圧で動作する交流電気モータには、出力シャフトを通しての漏電を防止するため、モータ出力シャフトとモータのロータコアの間に絶縁スリーブが無ければならず、そのスリーブの最小の厚さは電圧の大きさに基づいて決定されること、を要求する。
【０００３】
一方、直流電気モータは似たような安全ガイドラインや規制は無い。結果として、製造および材料費を減らすために、直流電気モータは一般的に、モータ出力シャフトとロータコアの間に、絶縁スリーブを含まない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、多くの直流電気モータの動作中、モータ巻き線コイルの極性における変化が頻繁に起こることにより、高周波信号が作られることを、出願人は発見した。この高周波信号は容易にモータ出力シャフトと連結され、出力シャフトを通ってモータ外に放射され、望ましくない電磁干渉（ＥＭＩ）をつくりだす。
【０００５】
その結果、ＥＭＩ特性を改善した直流電気モータが必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ある実施形態は、回転自在にステータに取り付けられたロータを含む、直流電気モータを対象とする。ステータは、外側シェル、外側シェルに固定された複数の磁石、及び外側シェル上に配置された複数のブラシ、を含む。ロータは、ステータ内で回転するように構成されうる、そして出力シャフト、ロータコア、及び出力シャフトに固定された整流子、を含む。複数の巻き線コイルは、ロータコアの周りに巻きつけられ、整流子と電気的につながる。この整流子は、動作中、電流がブラシ及び整流子から巻き線コイルの一部へ流れるように、複数のブラシと摺動接触するよう構成される。絶縁スリーブは、出力シャフトとロータコアの間に配置され、それらに固定して取り付けられる、そして、モータ動作中に巻き線コイルの電流の変動により引き起こされるＥＭＩの量を低減するために使用されうる。
【０００７】
ある実施形態においては、出力シャフト、ロータコア、及び絶縁スリーブは、第一静電容量を持つ第一コンデンサを形成し、ロータコア及び外側シェルは第二静電容量を持つ第二コンデンサを形成する。ある実施形態においては、第二静電容量は第一静電容量よりも大きい。例えば、第一静電容量に対する第二静電容量の比率は、１から５の間になりうる。ある実施形態においては、第一静電容量に対する第二静電容量の比率は０．１から５０の間、又は０．５から１０の間になる。
【０００８】
ある実施形態においては、絶縁スリーブはテフロン（登録商標）で作られ、その厚さは、少なくとも０．００１ミリメーターである。
【０００９】
ある実施形態においては、出力シャフトの外面は、絶縁スリーブと接続するよう構成された複数の構造的特徴、を含む。出力シャフトの外面における構造的特徴は、複数の突起部又は複数の凹部、を含みうる。加えて、ロータコアは、その放射状の内面における複数の構造的特徴を含みうるが、絶縁スリーブは、ロータコアの放射状の内面における複数の構造的特徴と結合する、その放射状の外面における複数の構造的特徴を含む。ある実施形態においては、ロータコアにおける構造的特徴は突起部であり、絶縁スリーブにおける構造的特徴は凹部であるが、他の実施形態においては、ロータコアにおける構造的特徴は凹部であるが、絶縁スリーブにおける構造的特徴は突起部である。
【００１０】
ある実施形態においては、絶縁スリーブは、射出成形によって、出力シャフトに固定して取り付けられる。
【００１１】
ある実施形態においては、外側シェルはモータの動作中に接地される。
【００１２】
ある実施形態は、直流電気モータを組み立てる方法を対象にしており、この方法は、直流電気モータの出力シャフトの外面の少なくとも一部に絶縁スリーブを型で作ること、及びロータコアの内面が絶縁スリーブの外面に固定されるように絶縁スリーブの外面上にロータコアを取り付けること、を含む。
【００１３】
ある実施形態においては、この方法はさらにまた、出力シャフトの外面における複数の構造的特徴を形成すること、を含む。加えて、複数の構造的特徴は、ロータコアの内面に形成されうる。
【００１４】
ある実施形態においては、直流電気モータの出力シャフトの外面の少なくとも一部に絶縁スリーブを型（ｍｏｌｄｉｎｇ）で作ることは、射出成形を使用して絶縁スリーブを出力シャフトへ固定的に取り付けること、を含む。
【００１５】
ある実施形態においては、直流電気モータの出力シャフトの外面の少なくとも一部に絶縁スリーブを型で作ることは、直流電気モータのロータコアと外側シェルの間の第二静電容量の、第一静電容量に対する比率は０．１から５０の間である、出力シャフトとロータコアの間の第一静電容量を有する第一コンデンサを形成するために、絶縁スリーブの厚さと誘電係数を選択すること、を含む。ある実施形態においては、第一静電容量に対する第二静電容量の比率は０．５から１０の間、又は１から５の間に選択される。
【００１６】
図面は実施形態のデザインと有用性について説明し、この中で類似した構成要素は一般の参照番号によって言及される。これらの図面は必ずしも一定の比率で描かれていない。上記列挙した事項や利点や目的がどのように得られるかをより良く理解するために、添付図面の中で説明されている実施形態のより具体的な記載が与えられる。これらの図面は代表的な実施形態を描写したものであり、それゆえに特許請求の範囲を限定するものとは考えられない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１はある実施形態に従った直流電気モータを図示する。
【図２】図２はある実施形態に従った直流電気モータの分解組立図を図示する。
【図３】図３はある実施形態に従った直流電気モータの垂直断面図を図示する。
【図４】図４はある実施形態に従った直流電気モータの上から見た水平断面図を図示する。
【図５】図５はある実施形態に従った直流電気モータの異なる構成要素間でのインピーダンスを図示した概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
様々な特徴は以下に図面を参照して説明する。図面は縮尺で描かれていないこと、図面における類似した構造又は機能の構成要素は参照番号等で表されていることに留意する。他に特に一つ以上の具体的な実施形態が記載され、または一つ以上の具体的な請求が主張されない限り、図面は単なる図示および説明の目的のための特徴の説明を容易にすることを意図しているのみであることにも留意する。ここに記載された図面や様々な実施形態は、網羅的な説明または様々な他の実施形態の説明として、または特許請求の範囲、若しくは本出願に記載された実施形態を考慮すると当業者には明らかである他の実施形態の範囲を限定するものとして、意図されていない。加えて、説明された実施形態は、全ての態様や利点が示される必要はない。
【００１９】
特定の実施形態に関連して記載された態様や利点は、必ずしもその実施形態を限定せず、説明されていなくても、また明示的に説明されていなくても、その他の実施形態においても実施されうる。本明細書の「ある実施形態」又は「その他の実施形態」という言及は、その実施形態に関連して記載された特別な特徴、構造、材料、過程又は特質が少なくとも一つの実施形態には含まれていることを意味する。したがって、本明細書の様々な場所にある「ある実施形態において」、「一つ以上の実施形態において」、「その他の実施形態において」というフレーズの出現は、必ずしも同じ実施形態について言及していない。
【００２０】
ある実施形態は、回転自在にステータに取り付けられるロータを含む、直流電気モータを対象とする。ステータは、外側シェル、複数の磁石および複数のブラシ、を含む。ロータは、出力シャフト、ロータコアおよび出力シャフトに固定された整流子、を含む。複数の巻き線コイルはロータコアの周りに巻きつけられ、整流子と電気的につながる。この整流子は、動作中、電流がブラシおよび整流子から巻き線コイルの一部へ流れるように、複数のブラシと摺動接触するよう構成される。絶縁スリーブは、モータ動作中に巻き線コイルの電流の変動により引き起こされるＥＭＩの量を低減するために、出力シャフトとロータコアの間に配置される。ある実施形態においては、第一コンデンサは出力シャフトとロータコアの間に形成され、第二コンデンサはロータコアと外側シェルの間に形成される。ある実施形態においては、第二コンデンサは第一コンデンサ以上の静電容量を持つように構成される。ある実施形態においては、第二コンデンサの静電容量と第一コンデンサの静電容量の比率は、０．１から５０の間となるように構成される。
【００２１】
図１‐４は、ある実施形態に従った、ステータ２０およびロータ３０を含む、モータ１０（以降「モータ」と記す）を説明する。当然のことながら、図示された実施形態は、ステータ２０内で収容され、回転するよう構成されたロータ３０に伴う内側のロータの設計を有するモータ１０を説明しているが、他の構成は、例えばロータ内に収容されたステータに伴う外側のロータの設計を有するモータなどの、他の実施形態において、使用されうる。
【００２２】
ある実施形態においては、ステータ２０は、外側シェル２２、及び外側シェル２２の内壁に固定された複数の磁石２４、を含む。磁石２４は、一つ以上の永久磁石を、含みうる。しかし当然のことながら、磁石２４は、磁界を発生できるいかなる種類の構成要素を含みうる。ある実施形態においては、外側シェル２２は、実質的にカップ状の、またはシリンダー形状をしており、金属で作られている。端末キャップ２６は、外側シェル２２の一端に取り付けられうる。複数の電気ブラシ２８は、端末キャップ２６上に配置されうる。ある実施形態においては、電気ブラシ２８は、ロータ３０の整流子３４と接触するように構成された端末キャップ２６上に、摺動自在に配置される。例えば、電気ブラシ２８は損傷によってすり減ることもありうるにもかかわらず、一つ以上のスプリング（示されていない）は、電気ブラシ２８と整流子３４の間での接触を維持するために、整流子３０に向かってブラシ２８を押しつけるように使用されうる。ある実施形態においては、電気ブラシは、外側シェル２２の内面に取り付けられうる。
【００２３】
ロータ３０は、出力シャフト３１、出力シャフト３１に固定された絶縁スリーブ３２、及び絶縁スリーブ３２に固定されたロータコア３３、を含み、そのようにして、絶縁スリーブ３２は出力シャフト３１とロータコア３３に挟まれる。したがって、出力シャフト３１、絶縁スリーブ３２、及びロータコア３３は全て互いに固定され、一緒に回転することができる。出力シャフト３１は金属で作られうる、そして回転自在に外側シェル２２及び／又はステータ２０の端末キャップ２６に取り付けられうる。
【００２４】
整流子３４は、出力シャフト３１に固定され、ロータコア３３上の複数の巻き線ループ３５（その中の一つが図２で説明されている）に電気的に接続される。加えて、整流子３４は、電気ブラシ２８に摺動接触するよう構成され、そのようにして、電気ブラシ２８は、整流子３４を通して巻き線ループ３５へ電流を流すことができるようになる。
【００２５】
例えばモータ１０のような典型的な直流電気モータの動作中、直流電流は、電気ブラシ２８及び整流子３４を通って、該当の巻き線ループ３５へ流れ、磁石２４の磁界と相互作用する磁界を発生させ、ロータ３０を回転させる。ロータ３０が回転すると、電気ブラシ２８は、整流子３４の異なる整流子片と接触する。
【００２６】
モータ１０の動作中、ロータ３０は毎分何千回転以上もの速さで回転しうる。結果的に、巻き線ループ３５内の電流のオンとオフのスイッチングはとても速くなりえ、高周波の電磁放射線を発生させる。多くの標準的な直流電気モータにおいては、出力シャフト３１及びロータコア３３は直接接触するため、この高周波の放射線は、ロータコア３３を通って出力シャフト３１及び外側シェル２２と連結される。
【００２７】
本発明のある実施形態にしたがうと、絶縁スリーブ３２は、出力シャフト３１とロータコア３３の間に配置され、ロータコア３３と出力シャフト３１は直接接触していない。ロータコア３３、出力シャフト３１、及び絶縁スリーブ３２は、ロータコア３３を通って出力シャフト３１と連結する高周波信号を効果的に防ぎうるコンデンサを形成し、出力シャフト３１から放出される電磁放射線の量を低減し、モータ１０のＥＭＩ特性を改善する。
【００２８】
加えて、ロータコア３３とステータ２０の外側シェル２２の間にはすき間がある。外側シェル２２、ロータコア３３、及びこれらのすき間もまたコンデンサを形成する。ある実施形態においては、外側シェル２２はモータ１０の動作中に接地され、巻き線コイル３５によって発生した高周波信号の吸収に備える。
【００２９】
コンデンサの静電容量は、次の等式によって表されうる。
【００３０】
2014187870.tif 000003
【００３１】
ここで、εは誘電率に対応し、Ａはコンデンサ板の面積に対応し、ｄはコンデンサ板間の距離に対応する。
【００３２】
図５は、巻き線コイル３５から地面（外側シェル２２）までのモータ１０の異なる構成要素間でのインピーダンスを図示した概要図である。絶縁スリーブ３２を挟んだロータコア３３と出力シャフト３１の間、及び空隙を挟んだロータコア３３と外側シェル２２の間、に形成されたコンデンサの静電容量は、それぞれＣ１及びＣ２で表される。巻き線コイル３５とロータコア３３の間の静電容量はＣ３で表され、出力シャフト３１と外側シェル２２の間の抵抗はＲで表される。
【００３３】
一般的に、巻き線コイル３５と外側シェル２２の間、及び巻き線コイル３５と出力シャフト３１の間、の全インピーダンスが大きくなればなるほど、外側シェル２２及び出力シャフト３１と連結する高周波信号の低減は良くなる。Ｒの値は一般的に小さいので、ロータコア３３と外側シェル２２の間の全インピーダンスは、Ｃ１及びＣ２の並列接続でのインピーダンスによって、実質的に決定されうる。
【００３４】
Ｃ１の値がより小さくなると、静電容量はより小さくなり、したがって巻き線コイル３５と出力シャフト３１の間のインピーダンスが大きくなる。より大きいインピーダンスは、出力シャフト３１と連結することができる電磁放射線を、低減する。所望のＣ１の値を得るために、ε、Ａ及びｄのパラメーターは設定されうる。例えば、絶縁スリーブ３２の厚さ（上の等式におけるｄに対応する）をできるだけ大きくすることが望ましい。しかしながら、絶縁スリーブ３２の厚さは、モータ１０の大きさの限界によっても制約される。ある実施形態においては、絶縁スリーブ３２の厚さは、少なくとも０．００１ミリメーターであるように構成される。εの値を設定するために、絶縁スリーブ３２に異なる材料が使用されうる。例えば、ある実施形態においては、絶縁スリーブ３２はテフロン（登録商標）で作られうる。
【００３５】
実験結果によると、Ｃ１に対するＣ２の比率（すなわちＣ２／Ｃ１）が０．１から５０の間のときに、好ましくは０．５から１０の間のときに、電磁放射線の抑制又は低減、モータ性能、及び製造コストの良いバランスを取りうる。より好ましくは、Ｃ１に対するＣ２の比率が１から５の間であると、外側シェル２２と連結する高周波信号のより高い吸収を可能にさせうる、そしてさらにまた、出力シャフト３１の電磁放射線を低減しうる。これは一般的に、Ｃ１がより小さくなると、高周波放射線は出力シャフト３１とより連結しないからであり、Ｃ２がより大きくなると、高周波放射線は外側シェル２２によってより接地されるからである。
【００３６】
図４で説明されるように、ある実施形態においては、出力シャフト３１の外面は、外側に放射状に延在する複数の突起部３６、を含む。絶縁スリーブ３２は、射出成形によって、出力シャフト３１上に形成されうる。突起部３６は、出力シャフト３１と絶縁スリーブ３２の間の接触表面積を増やす働きをし、それによって出力シャフト３１と絶縁スリーブ３２の間の結合を増大させる。
【００３７】
加えて、絶縁スリーブ３２に面するロータコア３３の内面は、絶縁スリーブ３２の外面上の突起部３８を収容するよう構成された複数の凹部３７、を含みうる。凹部３７と突起部３８の間の接触面は、絶縁スリーブ３２に対してロータコア３３を回転しないように、機能しうる。ある実施形態においては、絶縁スリーブ３２とロータコア３３は、締りばめによって接続され、絶縁スリーブ３２と出力シャフト３１は、ローレットによって接続されうる。
【００３８】
当然のことながら、図４で説明された実施形態は複数の突起部３６を伴う出力シャフト３１を示しているが、他の実施形態においては、その代わりに出力シャフトは、複数の凹部のような、絶縁スリーブ３２と接続する他の構造的特徴を有しうる。同様に、他の実施形態においては、ロータコア３３の内面は、絶縁スリーブ３２上の複数の凹部によって適合された複数の突起部、又は他種の構造的特徴、を含みうる。
【００３９】
前述した明細書においては、それについての具体的な実施形態を参照して、様々な態様が説明されている。しかしながら、ここに説明された様々な実施形態のより広範な趣旨と範囲を逸脱しないで、様々な修正および変更がそこになされうることは明らかである。例えば、上述したシステムまたはモジュールは、構成要素の特定の配置を参照して説明されている。それにもかかわらず、説明された構成要素の多くのものの順序またはその要素間の空間的な関係は、ここに説明されている様々な実施形態の範囲、作用または効果に影響を及ぼさないで、変わりうる。加えて、特定の特徴が示されて説明されているが、当然のことながら特許請求の範囲または他の実施形態の範囲を限定することを意図しておらず、様々な修正および変更は、ここに説明されている様々な実施形態の範囲を逸脱しないでなされうることは、当業者にとっては明らかである。したがって、明細書と図面は、限定的意味というよりは説明的および解説的なものだとみなすことができる。このように、記載された実施形態は、代替形態、修正形態、および均等物を包含することを意図している。
【図１】
2014187870.tif 000004
【図２】
2014187870.tif 000005
【図３】
2014187870.tif 000006
【図４】
2014187870.tif 000007
【図５】
2014187870.tif 000008
【外国語明細書】
2014187870000001.pdf