(57)【要約】【課題】本発明は、短絡コイル付近の磁束を全ての領域にわたってゼロにすることにより、ブラシ整流子間で火花を抑制し、ブラシ摩耗を低減した長寿命の直流整流子電動機および電気機器を提供することを目的とする。【解決手段】界磁は円周方向に隣り合う主磁極１間に配設された永久磁石からなる補極２を有し、主磁極１の極性と、主磁極１に対して電機子の回転方向側隣に位置する補極２の極性が同極性とし、かつ、補極２を構成する永久磁石の残留磁束密度を、主磁極１を構成する永久磁石の残留磁束密度と異ならせるとともに、補極２を構成する永久磁石の残留磁束密度は、整流子の隣接する子片間にブラシが跨り、前記隣接する子片が短絡することで形成される短絡コイル７に作用する電機子負荷電流による磁束を、ほぼゼロとなるように打消し可能な範囲としたものである。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に整流子を介して給電するブラシを有する負荷駆動用の直流整流子電動機において、
前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性とし、かつ、前記補極を構成する永久磁石の残留磁束密度を、前記主磁極を構成する永久磁石の残留磁束密度と異ならせるとともに、前記補極を構成する永久磁石の残留磁束密度は、前記整流子の隣接する子片間に前記ブラシが跨り、前記隣接する子片が短絡することで形成される短絡コイルに作用する電機子負荷電流による磁束を、ほぼゼロとなるように打消し可能な範囲にあることを特徴とする直流整流子電動機。
【請求項２】
円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に給電するブラシを有する直流整流子電動機において、
前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性で、かつ前記主磁極と補極に用いられている永久磁石の残留磁束密度が異なることを特徴とする直流整流子電動機。
【請求項３】
円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に給電するブラシを有する直流整流子電動機において、
前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性で、かつ前記主磁極と補極に用いられている磁石材質が異なることを特徴とする直流整流子電動機。
【請求項４】
補極の永久磁石の残留磁束密度Ｂｒａが、主磁極の永久磁石の残留磁束密度Ｂｒｍより、小さいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の直流整流子電動機。
【請求項５】
補極と電機子の空隙ｇａが、前記主磁極と前記電機子の空隙ｇｍより大きいことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の直流整流子電動機。
【請求項６】
円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記主磁極と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に給電するブラシを有する直流整流子電動機において、
前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性で、かつ前記補極と前記電機子の空隙ｇａが、前記主磁極と前記電機子の空隙ｇｍより大きいことを特徴とする直流整流子電動機。
【請求項７】
ヨークの内周面に形成した凹部に補極を構成する永久磁石を配設するとともに、前記凹部を形成してあるヨーク内周面に対するヨーク外周を凸形状とし、前記補極を構成する永久磁石が配設されるヨークの厚みを、少なくとも主磁極を構成する永久磁石が配設されるヨ
ーク厚み以上としていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の直流整流子電動機。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の直流整流子電動機を負荷駆動用として搭載したことを特徴とする電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流整流子電動機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６に示すように、直流整流子電動機は円筒状の磁性体からなるヨーク３の内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極１を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子４（電機子巻線の描画は省略する。）および電機子巻線に給電するブラシ５等から構成されている。
【０００３】
なお、電機子４には上記のとおりその描画を省略した電機子巻線が電機子鉄心のスロット内部に巻回されている。そして、直流整流子電動機は、この電機子巻線に流れる電流をブラシ５と整流子６を用いて切り替えることで回転磁界を発生させ、主磁極１を構成するヨーク３内周面の永久磁石が発生する界磁磁束との吸引反発作用を利用して回転するものである。
【０００４】
しかし、この直流整流子電動機は直流電圧を切り替えるため、ブラシ５と整流子６の間で火花が発生し、ブラシ５の摩耗が促進しブラシ寿命が短くなるという欠点がある。
【０００５】
ここで、直流整流子電動機が火花を発生する原理を、図７をもとに説明する。なお、整流子６は時間経過とともに図で示す方向に回転している。
【０００６】
図では整流子６の子片間にブラシ５がまたがっており、この時、ブラシ５により隣り合う整流子片が短絡され、短絡コイル７ができる。
【０００７】
この短絡コイル７に鎖交する磁束を図８に示す。図８はエアギャップの磁束密度を示した図であり、同時に短絡コイル７と主磁極１の位置を示している。直流整流子電動機に負荷電流が流れていない時にエアギャップの磁束は、主磁極１の永久磁石による磁束のみである。したがって、短絡コイル７の位置周辺には主磁極１の磁束はほとんどゼロであるため、短絡コイル７に鎖交する磁束はゼロである。
【０００８】
一方、直流整流子電動機に負荷電流が流れていたときは、主磁極１の磁束に加えて、図８に示す電機子（負荷）電流による磁束（電機子反作用成分）が発生するため、これらを合成すれば図９のようになる。この場合、短絡コイル７周辺の磁束密度はゼロではないので、短絡コイル７に誘起電圧が発生し、短絡コイル７はブラシ５により短絡されているため短絡電流ｉが流れる。
【０００９】
整流子６の回転とともにブラシ５で短絡されている短絡コイル７は順次切り換わっていく。そのため、短絡コイル７が開放された際に、短絡コイル７にたまっていた短絡電流によるエネルギーが火花となって放出され、この火花がブラシ５を摩耗させて寿命を短くしている。
【００１０】
この火花を抑制するために従来は、主磁極１間に永久磁石からなる補極２を配設して、図８に示す負荷電流による磁束成分を打ち消す構造とした直流整流子電動機がある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１１】
なお、上記による負荷電流による磁束成分の打消しは、短絡コイル７周辺の磁束密度を、補極２を構成する永久磁石の磁束を用いて電機子反作用成分を補正し、行うものである
。
【特許文献１】特開昭５３−１２２７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、単に、例えば、主磁極と補極ともに同じ材質の永久磁石を用いた構造では、電機子反作用成分を補正するための補極の磁束が強すぎる課題を有しており、おり、補極の磁束を弱めるために特許文献１の図１に見られるように主磁極間の一部に補助磁石を配設するようにしており、短絡コイル付近の磁束を部分的にはゼロにできても全ての領域にわたってゼロにするのは困難であった。
【００１３】
本発明は、短絡コイル付近の磁束を全ての領域にわたってゼロにすることにより、ブラシ整流子間で火花を抑制し、ブラシ摩耗を低減した長寿命の直流整流子電動機および電気機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の直流整流子電動機は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性とし、かつ、前記補極を構成する永久磁石の残留磁束密度を、前記主磁極を構成する永久磁石の残留磁束密度と異ならせるとともに、前記補極を構成する永久磁石の残留磁束密度は、前記整流子の隣接する子片間に前記ブラシが跨り、前記隣接する子片が短絡することで形成される短絡コイルに作用する電機子負荷電流による磁束を、ほぼゼロとなるように打消し可能な範囲としたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の直流整流子電動機は、ブラシ整流子間での火花を抑制することが可能であるため、ブラシ寿命を大きく改善することができる。
【００１６】
また、補極を永久磁石で構成することにより電動機を小型化することができる。
【００１７】
さらに、ブラシ寿命を向上させた直流整流子電動機を電気機器に搭載することで、電気機器の寿命を向上させることが可能であり、直流整流子電動機の用途を拡大することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
請求項１に係る発明は、円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に整流子を介して給電するブラシを有する負荷駆動用の直流整流子電動機において、
前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性とし、かつ、前記補極を構成する永久磁石の残留磁束密度を、前記主磁極を構成する永久磁石の残留磁束密度と異ならせるとともに、前記補極を構成する永久磁石の残留磁束密度は、前記整流子の隣接する子片間に前記ブラシが跨り、前記隣接する子片が短絡することで形成される短絡コイルに作用する電機子負荷電流による磁束を、ほぼゼロとなるように打消し可能な範囲にあることを特徴とする直流整流子電動機であり、ブラシ整流子間での火花を抑制することができる。
【００１９】
本願の請求項２に係る発明は、円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所
定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に給電するブラシを有する直流整流子電動機において、前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性で、かつ前記主磁極と補極に用いられている永久磁石の残留磁束密度が異なることを特徴とする直流整流子電動機であり、短絡コイル付近の磁束を全ての領域でほぼゼロにすることができる。
【００２０】
請求項３に係る発明は、円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に給電するブラシを有する直流整流子電動機において、前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性で、かつ前記主磁極と補極に用いられている磁石材質が異なることを特徴とする直流整流子電動機であり、短絡コイル付近の磁束を全ての領域でほぼゼロにすることができる。
【００２１】
請求項４に係る発明は、補極の永久磁石の残留磁束密度Ｂｒａが、主磁極の永久磁石の残留磁束密度Ｂｒｍより、小さいことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の直流整流子電動機であり、ブラシ整流子間での火花を抑制することができる。
【００２２】
請求項５に係る発明は、補極と電機子の空隙ｇａが、前記主磁極と前記電機子の空隙ｇｍより大きいことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の直流整流子電動機であり、短絡コイル付近の磁束密度を厳密にゼロにすることが可能で、よりブラシ整流子間での火花を抑制することができる。
【００２３】
請求項６に係る発明は、円筒状の磁性体からなるヨークの内周面円周方向に、所定の間隔で極性が交互になるよう配設された永久磁石からなる主磁極を有する界磁と、前記界磁と所定の空隙を介して対向する電機子と、前記電機子の電機子巻線に給電するブラシを有する直流整流子電動機において、前記界磁は円周方向に隣り合う主磁極間に配設された永久磁石からなる補極を有し、前記主磁極の極性と、前記主磁極に対して電機子の回転方向側隣に位置する前記補極の極性が同極性で、かつ前記補極と前記電機子の空隙ｇａが、前記主磁極と前記電機子の空隙ｇｍより大きいことを特徴とする直流整流子電動機であり、短絡コイル付近の磁束を全ての領域でほぼゼロにすることができる。
【００２４】
請求項７に係る発明は、ヨークの内周面に形成した凹部に補極を構成する永久磁石を配設するとともに、前記凹部を形成してあるヨーク内周面に対するヨーク外周を凸形状とし、前記補極を構成する永久磁石が配設されるヨークの厚みを、少なくとも主磁極を構成する永久磁石が配設されるヨーク厚み以上としていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の直流整流子電動機であり、補極が形成されるヨークでの磁気飽和を抑制することができる。
【００２５】
請求項８に係る発明は、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の直流整流子電動機を負荷駆動用として搭載したことを特徴とする電気機器であり、電気機器運転中の負荷電流に応じた補極の残留磁束密度とすることで、長寿命の電気機器とすることができる。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明の具体例について図面をもとに説明する。なお、本発明における直流整流子電動機においても、その基本的構成は、上記従来の直流整流子電動機と同様であり、その説明を省略するものとし、以下、相違点を中心に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の直流整流子電動機の一例を示すものであり、一定の間隔で配設されている主磁極１を構成する永久磁石間に、補極２を構成する永久磁石が、同じく一定の間隔で配設されている。ここで、主磁極１に対して電機子４の回転方向側隣に位置する補極２の永久磁石の極性は、主磁極１の極性と同極性である。
【００２８】
次に、当該永久磁石の材質について説明すると、主磁極１の永久磁石を残留磁束密度Ｂｒｍがより大きな希土類系磁石としている。これに対して、補極２の磁石を主磁極１の永久磁石の残留磁束密度Ｂｒｍとの関係で、０．４Ｂｒｍ＞Ｂｒａ＞０．０４Ｂｒｍを満たすように、フェライト系磁石としている。
【００２９】
図２は、図１における直流整流子電動機の主磁極１および補極２に形成される短絡コイル７の各位置における界磁と電機子間空隙の磁束密度を示すものである。
【００３０】
これによれば、従来品に比較して、本発明品は補極２周辺で磁束密度がほぼゼロとなっている。これは、補極２の永久磁石の磁束により電機子反作用成分が打ち消されているためである。
【００３１】
なお、上記からも明らかなとおり、補極２の永久磁石の残留磁束密度は主磁極の永久磁石の残留磁束密度より小さく設定することが好適であるが、小さくしすぎると電機子反作用成分の打ち消す効果が弱くなり短絡コイル付近の磁束密度がゼロにならなくなる点、留意する必要がある。
【実施例２】
【００３２】
図３は、本発明の直流整流子電動機の他の一例を示すものである。なお、直流整流子電動機としての基本的構成は上記実施例１等と同様であり、これらとの相違している点について、以下、説明するものとする。
【００３３】
上記実施例１が補極２の永久磁石の残留磁束密度を、主磁極１の永久磁石より小さくするものであって、主磁極１を希土類系、補極２をフェライト系の永久磁石としているのに対して、本実施例の直流整流子電動機は、界磁と電機子間空隙を、主磁極と補極で変化させている点に、特徴を有するものである。
【００３４】
すなわち、ヨーク３の内周面に形成した凹部に補極２の永久磁石を配設することにより補極における空隙ｇａを、主磁極における空隙ｇｍより大きくしたものである。より具体的には、空隙ｇｍと空隙ｇａの関係を、１５ｇｍ＞ｇａ＞２ｇｍなる関係を満たすようにしたものである。
【００３５】
これにより、短絡コイル７付近の磁束密度をほぼゼロにすることが可能である。
【００３６】
なお、本実施例を実施例１の構成と組み合わせることで、短絡コイル７付近の磁束密度を厳密にゼロにすることが可能で、さらに大きな効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３７】
図４の直流整流子電動機は、上記実施例２のものを電動機効率の観点から改善、すなわち、図３のヨーク３のように、補極２の部分が主磁極１の部分と比較して、その厚みが狭くなっていると、当該狭幅部分で磁気飽和によるトルク低下を引き起こす課題が生じため、補極２の永久磁石配設用の凹部を形成してある部分のヨーク３の外周を凸形状とし、補極２の永久磁石が配設されるヨーク３の厚みを、少なくとも主磁極１の永久磁石が配設されるヨーク厚み以上としたものである。
【００３８】
これにより、長寿命で高効率の直流整流子電動機とすることができる。
【００３９】
なお、その他の構成等については上記実施例２と同様であり、その説明を省略する。
【実施例４】
【００４０】
上記の本発明の直流整流子モータを駆動時の負荷変動が大きなものに適用した場合、負荷電流の変化に連動し短絡コイルに作用する磁束が変化することとなる。かかる場合、本発明の補極は永久磁石で構成されていることから、これによる磁束は一定であり、電機子反作用成分を打ち消す作用を得ることは困難である。
【００４１】
したがって、上記観点より本発明の直流整流子電動機は駆動時の負荷変動の少ない電気機器、具体的には、電装用の圧縮機駆動用、ＡＢＳ用、パワーウインドウ用およびファン駆動用の電動機等に、特に好適である。図５に本発明の直流整流子電動機５０をＡＢＳ用途として搭載した自動車を示す。
【００４２】
なお、電圧が変化する交流整流子電動機においても電機子反作用成分を打ち消す作用を得ることは困難である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
ブラシと整流子間に発生する火花をなくすことが可能であり、ブラシ寿命を長くすることができるため、従来、寿命の問題でブラシを使用しないブラシレスモータをインバータで駆動していた電気機器に対しても、直流整流子電動機の用途を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図
【図２】本発明の効果を説明する図
【図３】本発明の第２の実施例を示す図
【図４】本発明の第３の実施例を示す図
【図５】本発明の直流整流子電動機をＡＢＳ用途として搭載した自動車を示す図
【図６】従来の直流整流子電動機の構造を示す図
【図７】従来の直流整流子電動機の火花発生原理を説明する図
【図８】直流整流子電動機の電機子反作用原理を説明する図
【図９】電機子反作用の影響を受けたギャップ磁束密度を示す図
【符号の説明】
【００４５】
１  主磁極
２  補極
３  ヨーク
４  電機子
７  短絡コイル
【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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