(57)【要約】【課題】ブラシ付き電動モータにおける出力トルクの変動を低減することである。【解決手段】ヨーク３の内周面側であって主マグネット５の軸方向端部、即ちオーバーハング部５ａには、互いに異なる磁極を向かい合わせて配置されたセグメント形の補助マグネット１８が装着されており、ヨーク３の内部に磁界が形成されるようになっている。また、この補助マグネット１８は、主マグネット５の周方向中心位置に対して周方向に所定の角度ずらして装着されている。そして、主マグネット５による主コギングトルクと補助マグネット１８による補助コギングトルクとが合成されてなる合成コギングトルクによりシャフトに発生する電磁力トルクの変動が相殺されて、このシャフトの出力トルクの変動が低減される。【選択図】    図３
2004297969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシに摺接するコミュテータと複数のティースが設けられたアマチュアコアとがシャフトに固定されてなるアマチュアがヨーク内に回転自在に収容されたブラシ付き電動モータであって、
前記ヨークの内周面に固定され、前記ヨーク内に磁界を形成する主マグネットと、
それぞれ前記コミュテータに接続されるとともに前記ティースに巻装され、前記主マグネットの磁界とにより前記シャフトに電磁力トルクを発生させる複数のアマチュアコイルと、
前記主マグネットにより生じる主コギングトルクに付加する補助コギングトルクを発生させ、前記電磁力トルクの変動を相殺する合成コギングトルクを前記シャフトに加える補助コギングトルク発生手段とを有し、
前記シャフトの出力トルクの変動を低減させることを特徴とするブラシ付き電動モータ。
【請求項２】
ブラシに摺接するコミュテータと複数のティースが設けられたアマチュアコアとがシャフトに固定されてなるアマチュアがヨーク内に回転自在に収容されたブラシ付き電動モータであって、
前記ヨークの内周面に固定され、前記ヨーク内に磁界を形成する主マグネットと、
それぞれ前記コミュテータに接続されるとともに前記ティースに巻装され、前記主マグネットの磁界とにより前記シャフトに電磁力トルクを発生させる複数のアマチュアコイルと、
前記主マグネットにより生じる主コギングトルクを相殺する補助コギングトルクを前記シャフトに加える補助コギングトルク発生手段とを有し、
前記シャフトに生じるコギングトルクを低減させることを特徴とするブラシ付き電動モータ。
【請求項３】
請求項１または２記載のブラシ付き電動モータにおいて、前記補助コギングトルク発生手段を前記主マグネットの周方向中心位置に対して周方向に所定の角度ずれて前記ヨークに固定された補助マグネットとしたことを特徴とするブラシ付き電動モータ。
【請求項４】
請求項３記載のブラシ付き電動モータにおいて、前記補助マグネットが前記主マグネットより高い磁束密度を有することを特徴とするブラシ付き電動モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシ付き電動モータに関し、特に、トルクリップルを低減させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシ付き電動モータは、電源から供給される電流を機械的な回転運動に変換して出力する機器であり、ワイパなどの自動車部品から、ＯＡ、ＡＶ機器などの民生機器に至るまで幅広く用いられている。
【０００３】
このようなブラシ付き電動モータは底付き円筒状に形成されたヨークを有しており、このヨークの内部には複数のアマチュアコイルを備えたアマチュアが回転自在に収容されている。このアマチュアのシャフトには、それぞれヨークの内周面に向けて突出する複数のティースが形成されたアマチュアコアが固定されており、アマチュアコイルはそれぞれこれらのティースに巻装されている。また、シャフトには放射状に配置された複数の整流子片を備えた整流子が軸着されており、アマチュアコイルはそれぞれ対応する整流子片に電気的に接続されている。整流子には、それぞれ電源の正極、負極に接続された複数のブラシが摺接するようになっており、アマチュアコイルにはブラシと整流子とにより整流された電流が供給されるようになっている。
【０００４】
一方、ヨークの内周面には、例えば特許文献１に示すように、複数の永久磁石が固定されており、ヨークの内部に磁界を形成するようになっている。これらの永久磁石はヨークの内周面に沿って湾曲する弧状に形成されており、互いに異なる極性を向かい合わせるとともに周方向中心位置を電気角で１８０°ずらして配置されている。
【０００５】
そして、アマチュアコイルに整流子により整流された電流が流れると、磁界内に位置するアマチュアコイルに電磁力が発生し、この電磁力によりシャフトに電磁力トルクが生じてアマチュアが回転するようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
実開平５−５０９５４号公報（第４−５頁、第１−２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
最近のブラシ付き電動モータは、小型化や軽量化が進み、構造的には振動の発生しやすいものとなっている。
【０００８】
しかしながら、従来のブラシ付き電動モータにおいては、整流作用によって電磁力を発生するアマチュアコイルの数つまり有効導体数が逐次変動し、アマチュアの回転力として取り出されるトルクは変動することになる。また、永久磁石とティースとの間には磁気吸引力が作用しており、これがアマチュアの回転に対する磁気抵抗変動となってシャフトにコギングトルクを生じさせている。加えて、モータのシャフトから取り出される出力トルクは、アマチュアコイルによる電磁力トルクとコギングトルクを合成したものとなるが、一般に電磁力トルクとコギングトルクは同位相の波形として生じるため、出力トルクの変動は大きくなる傾向にある。このことは、ブラシ付き電動モータの振動化および騒音化を促す要因となっており、モータの低振動化および低騒音化を図るうえで出力トルクの変動を低減することは重要な課題となっている。
【０００９】
本発明の目的は、ブラシ付き電動モータにおける出力トルクの変動を低減することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、ブラシ付き電動モータにおけるコギングトルクの発生を抑制することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシ付き電動モータは、ブラシに摺接するコミュテータと複数のティースが設けられたアマチュアコアとがシャフトに固定されてなるアマチュアがヨーク内に回転自在に収容されたブラシ付き電動モータであって、前記ヨークの内周面に固定され、前記ヨーク内に磁界を形成する主マグネットと、それぞれ前記コミュテータに接続されるとともに前記ティースに巻装され、前記主マグネットの磁界とにより前記シャフトに電磁力トルクを発生させる複数のアマチュアコイルと、前記主マグネットにより生じる主コギングトルクに付加する補助コギングトルクを発生させ、前記電磁力トルクの変動を相殺する合成コギングトルクを前記シャフトに加える補助コギングトルク発生手段とを有し、前記シャフトの出力トルクの変動を低減させることを特徴とする。
【００１２】
本発明のブラシ付き電動モータは、ブラシに摺接するコミュテータと複数のティースが設けられたアマチュアコアとがシャフトに固定されてなるアマチュアがヨーク内に回転自在に収容されたブラシ付き電動モータであって、前記ヨークの内周面に固定され、前記ヨーク内に磁界を形成する主マグネットと、それぞれ前記コミュテータに接続されるとともに前記ティースに巻装され、前記主マグネットの磁界とにより前記シャフトに電磁力トルクを発生させる複数のアマチュアコイルと、前記主マグネットにより生じる主コギングトルクを相殺する補助コギングトルクを前記シャフトに加える補助コギングトルク発生手段とを有し、前記シャフトに生じるコギングトルクを低減させることを特徴とする。
【００１３】
本発明のブラシ付き電動モータは、前記補助コギングトルク発生手段を前記主マグネットの周方向中心位置に対して周方向に所定の角度ずれて前記ヨークに固定された補助マグネットとしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明のブラシ付き電動モータは、前記補助マグネットが前記主マグネットより高い磁束密度を有することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明の一実施の形態であるブラシ付き電動モータを示す断面図であり、図２は図１に示すブラシ付き電動モータのＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３は図２に示す補助マグネットの装着状態を示す断面図である。
【００１７】
図１に示すブラシ付き電動モータ１は、深絞り鋼板をプレスで絞った底付き円筒状に形成されたヨーク３を有しており、このヨーク３の開口端はアルミダイキャストにより底付き円筒状に形成されたフロントブラケット４によって閉塞されている。
【００１８】
ヨーク３の内周面には、互いに異なる磁極を向かい合わせた一対のセグメント形の主マグネット５，６が固定されており、ヨーク３の内部に磁界を形成するようになっている。
【００１９】
また、ヨーク３の内部には、この磁界中に位置してアマチュア７が収容されている。アマチュア７はシャフト８がヨーク３の底部３ａとフロントブラケット４に形成された貫通孔４ａとに設けられた自動調心形の軸受９，１０に支持されることによりヨーク３の内部で回転自在となっている。また、シャフト８の先端は貫通孔４ａから外部に突出しており、この先端に図示しない被駆動部材を接続することにより、シャフト８の出力トルクを被駆動部材に伝達することができる。
【００２０】
このアマチュア７はシャフト８に固定されたアマチュアコア１１を有している。このアマチュアコア１１は、多数のアマチュア抜板を積み重ねて形成されており、その外周側には主マグネット５，６に向けて放射状に突出する１２個のティース１２が設けられている。そして、これらのティース１２には、それぞれ表面が絶縁処理された銅線により形成された複数のアマチュアコイル１３が巻装されている。本実施の形態においてはティース１２の数は１２個としているがこれに限らず、任意の個数とすることができる。
【００２１】
また、アマチュア７はアマチュアコア１１の図中左側に隣接してシャフト８に固定されたコミュテータ１４を有している。このコミュテータ１４はシャフト８に固定された胴部１４ａとこの胴部１４ａの外周に放射状に配置された整流子片１４ｂとを備えており、それぞれのアマチュアコイル１３は対応する整流子片１４ｂに電気的に接続されている。
【００２２】
フロントブラケット４には一対のブラシホルダ１５が設けられており、このブラシホルダ１５には、それぞれスプリング１６によりコミュテータ１４の整流子片１４ｂに付勢された状態で摺接する一対のブラシ１７が組み込まれている。これらのブラシ１７は図示しない接続端子に電気的に接続されており、接続端子に電流を供給すると、それぞれのブラシ１７とコミュテータ１４とを介して整流された電流がアマチュアコイル１３に流れるようになっている。
【００２３】
このブラシ付き電動モータ１には、主マグネット５，６に加えて、さらに補助コギングトルク発生手段として２つの補助マグネット１８，１９が設けられている。これらの補助マグネット１８，１９は、それぞれホルダ２０に支持されて、主マグネット５，６の軸方向端部、即ちオーバーハング部５ａに位置してヨーク３の内周面に固定されており、互いに異なる磁極を向かい合わせるとともに、それぞれ対応する主マグネット５，６の周方向中心位置に対して周方向に１０°ずれて配置されている。そして、これらの補助マグネット１８，１９は、主マグネット５，６と同様に、ヨーク３の内部に磁界を形成するようになっている。図示する場合には、これらの補助マグネット１８，１９は、ホルダ２０を用いて固定されているが、これに限らず、接着等により直接ヨーク３に固定したり、主マグネット５，６と一体に形成しても良い。また、補助マグネット１８，１９を主マグネット５，６と一体に形成する場合には、主マグネット５，６を形成する部分と補助マグネット１８，１９を形成する部分を有する着磁コアを用いても良い。
【００２４】
図４（Ａ）は、主マグネットの周方向中心位置から周方向に１０°ずらして補助マグネットを装着した場合の電磁力トルクと合成コギングトルクの波形を示す特性線図であり、図４（Ｂ）は、主マグネットのみを装着した場合の電磁力トルクと主コギングトルクの波形を示す特性線図である。また、図５は、主マグネットに対する補助マグネットの取付角度とトルクリップル低減効果との関係を示す特性線図である。
【００２５】
このように構成されたブラシ付き電動モータ１では、ブラシ１７に電流が供給されると、ブラシ１７とコミュテータ１４とを介して整流された電流が磁界中に位置するアマチュアコイル１３に流れて、主マグネット５，６と補助マグネット１８，１９の形成する磁界とによりフレミングの左手の法則に従ってアマチュア７に電磁力が発生する。そして、この電磁力によりシャフト８に電磁力トルクが発生して、軸受９，１０に回転自在に支承されるシャフト８は回転運動を開始する。
【００２６】
このとき、シャフト８の回転に応じて電磁力を発生させるアマチュアコイル１３の数つまり有効導体数が変動するので、シャフト８に発生する電磁力トルクは、図４（Ａ）に実線で示すように、シャフト８の回転角度において約３０°の周期で変動することになる。また、シャフト８には主マグネット５，６や補助マグネット１８，１９とティース１２との間で生じる磁気吸引力により、図４（Ａ）に破線で示すような合成コギングトルクが発生する。そして、シャフト８の出力トルクは、電磁力トルクとコギングトルクが合成されたものであるので、この出力トルクは、図示はしないが、図４（Ａ）に示す電磁力トルクの波形とコギングトルクの波形を合成した波形で変動して所謂トルクリップルを生じることになる。
【００２７】
ここで、比較例として、主マグネット５，６のみを装着した場合におけるシャフトに発生する電磁力トルクを見ると、図４（Ｂ）に実線で示すように、この場合の電磁力トルクも、図４（Ａ）に示す場合と同様にシャフト８の回転に応じて電磁力を発生させるアマチュアコイル１３の数が変動するので、シャフト８の回転角度において約３０°の周期で変動している。また、この場合におけるコギングトルクは主マグネット５，６とティース１２との間で生じる主コギングトルクのみからなっており、図４（Ｂ）に破線で示すように、シャフト８の回転角度において約３０°の周期で変動するとともに、電磁力トルクに対して約１０°の位相差を有している。そして、この場合、電磁力トルクのピークと主コギングトルクのピークとの位相差は小さいので、これらのトルクが互いに重ね合わされることにより、出力トルクのトルクリップルは図５に示すように大きくなっている。
【００２８】
これに対して本実施例のブラシ付き電動モータ１では、補助コギングトルク発生手段として補助マグネット１８，１９を設けたことにより、シャフト８には主コギングトルクに加えて、補助マグネット１８，１９とティース１２との間の磁気吸引力により補助コギングトルクが生じることになる。そして、この場合、補助マグネット１８，１９は、補助マグネット１８，１９により生じる補助コギングトルクがアマチュアコイル１３による電磁力トルクと位相が１８０°ずれた関係となる位置、つまり補助コギングトルクと電磁力トルクの変動とが相殺されるような位置に配置されている。これは、電磁力トルクと主コギングトルクとの合成トルクである出力トルクの変動を相殺する位置とも略一致する。したがって、主マグネット５，６による主コギングトルクと補助マグネット１８，１９による補助コギングトルクとの合成トルクである図４（Ａ）に示す合成コギングトルクは、図中に矢印で示す位置に新たなコギングトルクの山が創出されることで、実質的に主マグネット５，６のみが装着された場合に対してそのピーク位置の位相がずれたものとなっている。そして、この合成コギングトルクは、そのピーク位置が電磁力トルクの変動と位相が１８０°ずれた関係となっており、これにより電磁力トルクと合成コギングトルクとが相殺されて、図５に示すようにシャフト８の出力トルクの変動つまりトルクリップルが低減されるのである。
【００２９】
このように、本発明のブラシ付き電動モータ１では、補助マグネット１８，１９とティース１２との磁気吸引力による補助コギングトルクによりシャフト８の出力トルクの変動が相殺されるので、このブラシ付き電動モータ１の出力トルクの変動を低減させることができる。
【００３０】
図６（Ａ）は、主マグネットのみを装着した場合の１ティース当たりの電磁力トルクの波形を示す特性線図であり、図６（Ｂ）は、主マグネットの周方向中心位置から周方向に１０°ずらして補助マグネットを装着した場合の１ティース当たりの磁束分布の波形を示す特性線図であり、図６（Ｃ）は補助マグネットの装着前後における電磁力トルクの波形を示す特性線図である。
【００３１】
主マグネット５，６のみが装着された場合では、隣り合う２つの整流子片１４ｂに同一のブラシ１７が同時に接すると、対応するアマチュアコイル１３は両コイル端が短絡されて電流が流れないため、図６（Ａ）に示すように、所定の周期で部分的に電磁力トルクを発生しない状態となる。したがって、シャフト８の回転に応じて電流が流れるアマチュアコイル１３の数つまり有効導体数が変動して、電磁力トルクの変動が生じることになる。
【００３２】
これに対して、このブラシ付き電動モータ１では、主マグネット５，６に加えて、補助マグネット１８，１９を設けたことにより、ヨーク３の内部に形成される磁界により各ティース１２に流れ込む磁束分布は、図６（Ｂ）に示すように、補助マグネット１８，１９に形成される磁界により部分的に増加することになる。そして、この磁束分布の増加は、補助マグネット１８，１９が主マグネット５，６に対して周方向にずれて配置されているので、電磁力トルクが低下する部分において増加することになる。したがって、各ティース１２の電磁力の総和としてシャフト８に発生する電磁力トルクは、図６（Ｃ）に示すように、補助マグネット１８，１９が設けられない場合と比較して落ち込みが補償され、これにより出力トルクの変動が低減されることになる。また、電磁力トルクの落ち込みが補償されることにより、シャフト８が出力する平均トルクは増加することになる。
【００３３】
このように、本発明のブラシ付き電動モータ１では、主マグネット５，６に加えて補助マグネット１８，１９が設けられているので、電磁力トルクの落ち込みを補償して、このブラシ付き電動モータ１の出力トルクの変動を低減することができる。
【００３４】
ところで、以上は補助マグネット１８，１９の取付位置を１０°として、合成コギングトルクと電磁力トルクの変動とを相殺させるようにしているが、補助マグネット１８，１９の取付位置はこれに限られない。たとえば、補助マグネット１８，１９の取付位置を主マグネットの周方向中心位置から周方向に１５°ずれた位置とした場合には、主マグネット５，６による主コギングトルクと補助マグネット１８，１９による補助コギングトルクとが相殺されて、図５に示すように、アマチュアコイル１３に電流が供給されないときの出力トルクつまりシャフト８に生じる合成コギングトルクを、主マグネット５，６のみが装着された場合に比べてほぼ半減させることができる。したがって、この場合では、アマチュアコイル１３に供給される電流が小さくシャフト８が低速で回転している場合であっても、合成コギングトルクが低減されることによりシャフト８の出力トルクの変動が低減されて、シャフト８を滑らかに回転させることができる。また、この場合、合成コギングトルクが低減されているので、このブラシ付き電動モータ１の起動トルクを低減することができる。
【００３５】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、前記実施の形態においては、補助マグネット１８，１９は、主マグネット５，６の一方側の端部に装着されているが、これに限らず、フロントブラケット４側かヨーク底部３ａ側かのいずれか一方にのみ装着したり両側に装着してもよい。また、補助マグネット１８，１９の形状は、図３に示すようなセグメント形に限られず種々の形状、配置、個数を選択することができる。図７は、補助コギングトルク発生手段の変形例を示す斜視図である。図示する場合にあっては、主コギングトルクを発生させる主マグネット部２１に補助コギングトルク発生手段として複数の突出部２２が一体として形成されており、全体としてＨ型の形状となっている。
【００３６】
要するに、補助コギングトルク発生手段としては、ヨーク３の内部に収容して主マグネット５，６のみから生成される磁界に変化を与えることができれば良く、上記実施例のように補助マグネット１８，１９を主マグネット５，６に別体として装着することは補助コギングトルク発生手段の一実施例にすぎない。また、主マグネット５，６と補助マグネット１８，１９を接して配置する必要も必ずしもない。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、補助マグネットを主マグネットの周方向中心から周方向に所定の角度を設けて装着することで、電磁力トルクと合成コギングトルクとの合成である出力トルクの変動を低減することができる。これにより、ブラシ付き電動モータの低振動化および低騒音化を図ることができる。
【００３８】
また、補助マグネットを上記所定の位置から更に所定の角度ずらして装着することで、合成コギングトルクの発生を抑制することができる。これにより、ブラシ付き電動モータを低速で回転させる場合にも低振動化を図ることができるとともに、起動トルクを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるブラシ付き電動モータを示す断面図である。
【図２】図１に示すブラシ付き電動モータのＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図２に示す補助マグネットの装着状態を示す断面図である。
【図４】（Ａ）は、主マグネットの周方向中心位置から周方向に１０°ずらして補助マグネットを装着した場合の電磁力トルクと合成コギングトルクの波形を示す特性線図であり、（Ｂ）は、主マグネットのみを装着した場合の電磁力トルクと主コギングトルクの波形を示す特性線図である。
【図５】主マグネットに対する補助マグネットの取付角度とトルクリップル低減効果との関係を示す特性線図である。
【図６】（Ａ）は、主マグネットのみを装着した場合の１ティース当たりの電磁力トルクの波形を示す特性線図であり、（Ｂ）は、主マグネットの周方向中心位置から周方向に１０°ずらして補助マグネットを装着した場合の１ティース当たりの磁束分布の波形を示す特性線図であり、（Ｃ）は、補助マグネットの装着前後における電磁力トルクの波形を示す特性線図である。
【図７】補助コギングトルク発生手段の変形例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１    ブラシ付き電動モータ
３    ヨーク
４    フロントブラケット
５，６  主マグネット
５ａ，６ａ  オーバーハング部
７    アマチュア
８    シャフト
９，１０  軸受
１１    アマチュアコア
１２    ティース
１３    アマチュアコイル
１４    コミュテータ
１５    ブラシホルダ
１６    スプリング
１７    ブラシ
１８，１９  補助マグネット
２０    ホルダ
２１    主マグネット部
２２    突出部
【図１】
2004297969.tif 000003
【図２】
2004297969.tif 000004
【図３】
2004297969.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004297969.tif 000007
【図６】
2004297969.tif 000008
【図７】
2004297969.tif 000009