WO2011121991A1 - 直流モータ - Google Patents

Abstract

　本発明の直流モータは、複数の界磁極を有する固定子と、電機子コアと電機子コイルと整流子とを備えた電機子と、この整流子に摺接するブラシとを備える。電機子コイルは、各々のティースに集中巻された集中巻コイルユニットと、この相互間を結線して電気的に接続する渡り線ユニットとを含む。整流子のセグメント群は、集中巻コイルユニットが接続される隣接する第１、第２のセグメントと、その隣りの渡り線ユニットのみが接続される第３のセグメントを含む。そして、複数の渡り線ユニットは、スロットを通過して集中巻コイルユニットの相互間を結線する渡り線ユニットを含む。

Description

直流モータ

　本発明は、ブラシと整流子とを有する直流モータ、例えば、自動車に搭載される電装機器や電動工具に用いられる直流モータに関する。

　近年、電動機器、例えば、自動車に搭載される電装機器や電動工具は、小型化、軽量化、高効率化が進んでいる。それに伴い、こうした電動機器の動力源として、その機器に搭載される直流モータも自ずと小型化、軽量化、高効率化が一段と要求される。

　また、電装用機器、あるいは家電用機器に使用される直流モータは、高速化、小型軽量化や高出力化に伴って、ブラシと整流子片（整流子セグメント）間における火花の発生が著しくなるとともに、ブラシの長寿命化を一段と要求され、高い信頼性も求められている。

　この直流モータの一般的な構成は、界磁を構成する固定子と、その固定子に環状空隙を介して対向するように配置した回転子とを備えている。その回転子には、コアにコイルを巻回するとともに、整流子を具備したいわゆる電機子が用いられる。この直流モータを駆動するためには電機子に給電する必要がある。電機子に給電するには、リード線などにて外部電源に連結されたブラシを整流子に摺接させることにより行う。

　そして、このような直流モータのマグネットの磁極数を多極化する際には、マグネット磁極数に対するコイル磁極の数や整流子のセグメントの数、巻線の結線構造といった種々の構成要素の組み合わせを最適化することが要求されている。

　このような要求に対して、モータ性能を最適にする巻線の結線構造においては、複数の電機子コイルにおいて、無効なコイルの割合が多くなるという課題があった。そのため、さらに電機子コイルの数を増さなければモータ特性を満足ができないという傾向となり、課題の解決から新たな課題が生じるという好ましくない結果を招いていた。この結果、インダクタンスの変化が大きくなり、電圧波形の乱れに影響することから、モータの寿命が短くなるといった傾向も生じ、やむを得ず性能を若干犠牲にした巻線構造を採用していた。また、同様の課題要因に起因する騒音に関しても課題が生じていた。

　このような従来の直流モータとして、図面を参照して説明する。図８は、従来の直流モータの電機子コイルの巻線方法を示す展開図である。この従来の直流モータは、界磁極数４のステータと、５ティースを有するコアと、１０セグメントから成る整流子と、セグメントへの結線を介してティースに巻装したコイルとを有する電機子と、両ブラシ片が互いに直交して配置され、整流子に対して摺接する１対のブラシとを備えている。そして、ブラシにおける整流子に摺接する回転方向円弧長を、整流子における外周長の２０分の１（π×Ａ／２０、Ａは整流子外径）以下に構成されている。

　図８は、ブラシ片Ｂ１０１が、正電圧でありセグメントＳ１０３に摺接し、ブラシ片Ｂ１０２が、負電圧でありセグメントＳ１０５に摺接している状態を示しており、各コイルの通電状態は次の通りである。なお、図８において、左右の丸番号１、２、３及び４は同じ番号どうしが接続されていることを示す。第１の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１０１からＳ１０３を介してティースＴ１０５の回りを流れ、Ｓ１０８を中継してティースＴ１０４の回りを流れ、Ｓ１０９を中継してティースＴ１０３の回りを流れ、Ｓ１０４を中継してティースＴ１０２の回りを流れてＳ１０５を介してブラシ片Ｂ１０２に至る。第２の電流ルートは、ブラシ片Ｂ１０１からＳ１０３を介してティースＴ１０１の回りを流れ、Ｓ１０２を中継してティースＴ１０２の回りを流れ、Ｓ１０７を中継してティースＴ１０３の回りを流れ、Ｓ１０６を中継してティースＴ１０４の回りを流れ、Ｓ１０１を中継してティースＴ１０５の回りを流れ、Ｓ１１０を中継してティースＴ１０１の回りを流れてＳ１０５を介してブラシ片Ｂ１０２に至る。従来から直流モータについては、要求仕様に対しての改善が取り組まれ、直流モータの構成について最適化する取り組みがなされ、様々な技術の開示がなされてきた。（例えば特許文献１及び特許文献２）。

　分布巻きを施した直流モータでは、巻線は各ティースを順次渡ってゆくため、トルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり、この部分での銅損がモータの効率低下をもたらし、また軸方向の寸法を大きくする要因になっている。また、図８において×印で示すように、逆電流の流れるコイルが発生するために、モータの効率低下をもたらす要因になっている。このように、従来の直流モータでは、現時点の要求仕様に対して小型軽量化と高効率化という面で改善の余地があった。（例えば特許文献１）。

　また、集中巻または波巻きの巻線を施した直流モータにおいても、磁極数・電機子巻線数・整流子片数の組み合わせについて、最適化を図り、高トルク・高効率・小型化を図る取り組みがなされている。しかし、上記と同様に、現時点の要求仕様に対して小型軽量化と高効率化という面で改善の余地があった。（例えば特許文献２）。

特開２００２－２０９３６２号公報 特開昭５５－１２５０６９号公報

　本発明の直流モータは、固定子と、電機子と、ブラシとを備えた直流モータである。固定子は、複数の界磁極を有する。電機子は、複数のティースとティース相互間にスロットを有する電機子コアと、ティースに巻回されスロットに収納された電機子コイルと、複数のセグメントより成るセグメント群を有する整流子とを備える。ブラシは、セグメントに摺接して電機子コイルに給電する。そして、電機子コイルが、各々のティースに集中巻にて巻回された複数の集中巻コイルユニットと、集中巻コイルユニットの相互間を結線して電気的に接続する複数の渡り線ユニットとを含む。

　さらに、セグメント群は、集中巻コイルユニットの一端が接続される第１のセグメントと、集中巻コイルユニットの他端が接続される第２のセグメントと、渡り線ユニットのみが接続される第３のセグメントとを含む。また、第１のセグメントと第２のセグメントとは隣接配置され、隣接配置の隣りに第３のセグメントが配置される。

　そして、本発明の直流モータは、複数の渡り線ユニットが、スロットを通過して集中巻コイルユニットの相互間を結線する渡り線ユニットを含む構成である。

　この構成により、本発明の直流モータは、整流子のセグメント間の火花の発生を抑制するとともに、駆動効率の向上と小型軽量化を実現することができる。

図１は本発明の実施の形態における直流モータの軸方向の半断面図である。 図２は同直流モータのブラケットを外した状態での側面図である。 図３は同直流モータの巻線展開図である。 図４は同直流モータの渡り線ユニットＣ１を収納するスロットの位置を示す巻線展開図である。 図５は同直流モータの渡り線ユニットＣ１の結線を示す図である。 図６は同直流モータの渡り線ユニットＣ２を収納するスロットの位置を示す巻線展開図である。 図７は同直流モータのブラシ間距離が６０度の場合における、渡り線ユニットＣ１を収納するスロットの位置を示す巻線展開図である。 図８は従来の直流モータの巻線展開図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

　（実施の形態）
　図１は、本実施の形態の直流モータの軸方向の半断面図である。固定子１１は、有底中空円筒形状のフレーム１３の内周面にマグネット１２を備え、開口端をブラケット１７で覆うように構成されている。さらにこのブラケット１７には、ブラシホルダー３２を介してブラシ３１が備えられている。

　一方、回転子（以降、電機子と称す）２１は、複数のスロット２４を有する略円弧形状の電機子コア２３と、そのスロット２４に巻装収納された電機子コイル２２と、電機子コア２３の中心を軸方向に貫通固定された出力軸２８と、この出力軸２８に固定された整流子２５より成る。詳細は後述するが、電機子コイル２２の端末は、整流子２５のセグメントに電気的に接続されている。

　出力軸２８は、フレーム１３に外輪を固定された軸受３５と、ブラケット１７に外輪を固定された軸受３６とに回転自在に支持される。電機子２１の電機子コア２３の外周と、固定子１１のマグネット１２の内周とは所定の空隙にて対向している。

　次に、図２は本発明の実施の形態における直流モータのブラケット１７を外した状態での側面図である。この図２を用いて、本発明の直流モータの構造をさらに詳しく説明する。

　図２において、固定子１１を構成するフレーム１３は、３箇所に取付孔１８を有し、内周面にマグネット１２を有している。このマグネット１２は、３個に分割され、その相互間にはマグネット固定バネ１５が設けられており、フレーム１３の内周面に接着固定されている。そして、このマグネット１２は、１個当たりＮ極とＳ極の１対の界磁極に着磁されている。従って、全周では界磁極数６で着磁されている。

　なおこのマグネット１２は、リング形状として、その内壁を周方向にＮ極－Ｓ極－と等間隔且つ交互に６極に着磁してもよい。あるいは、このマグネット１２は、個別にＮ極、Ｓ極と着磁された６個の円弧状マグネットとしてもよい。

　次に、電機子２１は、複数のティース（本実施の形態では８個）とその相互間にスロット２４有する電機子コア２３と、各々のティースに巻回されスロット２４に収納された電機子コイル２２と、電機子コア２３の中心を軸方向に貫通固定された出力軸２８と、この出力軸２８に固定された整流子２５より成る。電機子コア２３は、電磁鋼板を積層して構成される。電機子コア２３の各々のティースＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８には、集中巻コイルユニットＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８が集中巻にて巻回され、整流子２５のセグメント２５ｓにフック２５ｆを介して接続されている。この巻線構造の詳細は後述する。

　なお、以下、電機子コア２３の一方の面として整流子２５を配置した側の面を上面、電機子コア２３の他方の面を下面として適宜説明する。図２では、上面から見た固定子１１や電機子２１を示している。

　図３は、本実施の形態における直流モータの巻線の基本的な配線を示した巻線展開図である。なお、巻線の具体的な配線の詳細については以下でさらに説明する。電機子コア２３は、８個のティースＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８と、そのティース相互間に同数のスロット２４を備える。電機子コイル２２は、８個の集中巻コイルユニット（以下、適宜、単にコイルユニットと呼ぶ）Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８と複数の渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８とを備える。各コイルユニットＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８は、いずれも集中巻にてそれぞれティースＴ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６、Ｔ７、Ｔ８に巻回され、各スロット２４に収納される。すなわち、例えば、ティースＴ１には巻線が複数回巻回され、これによってコイルユニットＷ１が形成されている。

　一方、整流子２５は、それぞれのセグメント２５ｓとしてセグメントＳ１よりセグメントＳ２４の２４個のセグメントを備える。各セグメント２５ｓの相互間は、絶縁されており、そのセグメント２５ｓの先端にはコイル端末を接続するためのフック２５ｆを備える。コイルユニットの端末や渡り線ユニットを各セグメントに接続する場合、このセグメント２５ｓ先端のフック２５ｆに接続されることになるが、以下、適宜省略してセグメントに接続と記載する。

　ブラシ３１は、機械角で１８０度間隔に配置された１対の陽極側ブラシ片Ｂ１と陰極側ブラシ片Ｂ２より成り、整流子２５の各セグメント２５ｓに摺接している。そして、これら陽極側ブラシ片Ｂ１と陰極側ブラシ片Ｂ２とは、直流電源に接続されており、整流子２５を経由して電機子コイル２２に給電されるように構成されている。なお、以下、角度は機械角を示す。

　ここで、電機子コイル２２を構成するコイルユニットＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８は、それぞれ隣り合うセグメント２５ｓに接続される。すなわち、コイルユニットの一方の端末があるセグメント２５ｓに接続され、他方の端末がその隣りのセグメント２５ｓに接続される。そして、これらコイルユニットが接続される隣り合うセグメントの隣りは、集中巻コイルユニットは接続されず、渡り線ユニットのみが接続される（詳細後述する）。これら集中巻コイルユニットの一端が接続されるセグメントを第１のセグメント、集中巻コイルユニットの他端が接続されるセグメントを第２のセグメントと定義する。また、渡り線ユニットのみが接続されるセグメントを第３のセグメントと定義する。

　このような定義に従うと、第１のセグメントと第２のセグメントとは隣接配置され、この隣接配置の隣りに第３のセグメントが配置されることになる。さらに、この電機子コイルは、これらセグメント群と渡り線ユニットを介して直列閉回路を構成する。そして、この第１のセグメント数と第２のセグメント数と第３のセグメント数とは同数とし、セグメント群のセグメントの総数は、これら第１のセグメント数と第２のセグメント数と第３のセグメント数の和となる。

　これらセグメントの配置をさらに詳しく説明すると下記の通りとなる。図３に示すように、セグメント群のセグメント数は２４個であり、従って、セグメントピッチは１５度となる。第１のセグメント相互間、第２のセグメント相互間、及び第３のセグメント相互間は、いずれも４５度間隔に配置されている。また、任意の第１のセグメントは、１２０度間隔の位置に第２のセグメントまたは第３のセグメントが配置される。同様に、任意の第２のセグメントは、１２０度間隔の位置に第３のセグメントまたは第１のセグメントが配置され、任意の第３のセグメントは、１２０度間隔の位置に第１のセグメントまたは第２のセグメントが配置される。そして、第１のセグメントと第２のセグメントと第３のセグメントとの相互間は、渡り線ユニットで接続されることになる。

　次に、具体的な電機子コイルの巻線構造を説明する。ティースＴ１に巻回される集中巻コイルユニットＷ１は、第１のセグメントＳ２と第２のセグメントＳ３に接続される。ティースＴ２に巻回される集中巻コイルユニットＷ２は、第１のセグメントＳ５と第２のセグメントＳ６に接続される。ティースＴ３に巻回される集中巻コイルユニットＷ３は、第１のセグメントＳ８と第２のセグメントＳ９に接続される。ティースＴ４に巻回される集中巻コイルユニットＷ４は、第１のセグメントＳ１１と第２のセグメントＳ１２に接続される。ティースＴ５に巻回される集中巻コイルユニットＷ５は、第１のセグメントＳ１４と第２のセグメントＳ１５に接続される。ティースＴ６に巻回される集中巻コイルユニットＷ６は、第１のセグメントＳ１７と第２のセグメントＳ１８に接続される。ティースＴ７に巻回される集中巻コイルユニットＷ７は、第１のセグメントＳ２０と第２のセグメントＳ２１に接続される。ティースＴ８に巻回される集中巻コイルユニットＷ８は、第１のセグメントＳ２３と第２のセグメントＳ２４に接続される。

　次に、第３のセグメントＳ１、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ１０、Ｓ１３、Ｓ１６、Ｓ１９、Ｓ２２に接続される渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８の詳細を説明する。これら渡り線ユニットは、集中巻コイルユニットの相互間を結線して電気的に接続する。これら渡り線ユニットは、１２０度間隔に位置する第１のセグメントと第２のセグメントと第３のセグメントとを接続することになり、具体的には下記の通りである。

　渡り線ユニットＣ１は、第１のセグメントＳ２と第３のセグメントＳ１０と第２のセグメントＳ１８とに接続される。渡り線ユニットＣ２は、第１のセグメントＳ５と第３のセグメントＳ１３と第２のセグメントＳ２１とに接続される。渡り線ユニットＣ３は、第１のセグメントＳ８と第３のセグメントＳ１６と第２のセグメントＳ２４とに接続される。渡り線ユニットＣ４は、第１のセグメントＳ１１と第３のセグメントＳ１９と第２のセグメントＳ３とに接続される。渡り線ユニットＣ５は、第１のセグメントＳ１４と第３のセグメントＳ２２と第２のセグメントＳ６とに接続される。渡り線ユニットＣ６は、第１のセグメントＳ１７と第３のセグメントＳ１と第２のセグメントＳ９とに接続される。渡り線ユニットＣ７は、第１のセグメントＳ２０と第３のセグメントＳ４と第２のセグメントＳ１２とに接続される。渡り線ユニットＣ８は、第１のセグメントＳ２３と第３のセグメントＳ７と第２のセグメントＳ１５とに接続される。

　以上の通り、各集中巻コイルユニットと渡り線ユニットを各セグメントに接続することにより、この電機子コイル２２は閉回路を構成する。具体的には、図３において、例えば、セグメントＳ１よりセグメントＳ９の方向に回路をたどると下記の通りとなる。Ｓ１－Ｓ９－Ｗ３－Ｓ８－Ｓ１６－Ｓ２４－Ｗ８－Ｓ２３－Ｓ７－Ｓ１５－Ｗ５－Ｓ１４－Ｓ２２－Ｓ６－Ｗ２－Ｓ５－Ｓ１３－Ｓ２１－Ｗ７－Ｓ２０－Ｓ４－Ｓ１２－Ｗ４－Ｓ１１－Ｓ１９－Ｓ３－Ｗ１－Ｓ２－Ｓ１０－Ｓ１８－Ｗ６－Ｓ１７－Ｓ１となり、１つの結線ループを形成しており、閉回路を構成していることがわかる。

　以上に述べた渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８は、次に述べる接続工法を実施することにより、接続工数を合理化することができる。ティースＴ１に巻回される集中巻コイルユニットＷ１の一端は、第１のセグメントＳ２に接続された後、そこで切断されることなく延長して、第３のセグメントＳ１０に接続される。同様に、ティースＴ６に巻回される集中巻コイルユニットＷ６の他端は、第２のセグメントＳ１８に接続された後、そこで切断されることなく延長して、第３のセグメントＳ１０に接続される。このように渡り線ユニットＣ１は、集中巻コイルユニットＷ１の一端の延長線と集中巻コイルユニットＷ６の他端の延長線とで構成することができ、接続工数を合理化することができる。渡り線ユニットＣ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８についても、上記渡り線ユニットＣ１と同様に構成することができる。

　また、特に、本実施の形態では、このような複数の渡り線ユニットにおいて、スロット２４を通過して集中巻コイルユニットの相互間を結線する渡り線ユニットを含む構成としている。すなわち、これら各々の渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８は、整流子の外周上で結線するのではなく、それぞれの集中巻コイルユニットとともに、電機子のスロット２４に巻き込んで結線される。これにより、整流子周辺に余分な渡り線ユニット配線用の空間を生じさせることなく、電機子のスロット２４内のスペースを有効に活用することでモータの小型化を実現することができる。

　次に、陽極側ブラシ片Ｂ１と陰極側ブラシ片Ｂ２とは、幅方向（周方向）の中心線が所定のマグネット１２の周方向の中心線と一致するように、互いに等角度（１８０度）の間隔を有して配置されている。そして、ブラシ片Ｂ１とブラシ片Ｂ２の周方向幅は、各セグメントの周方向幅と同等または小さい寸法に設定されている。従って、ブラシ片Ｂ１とブラシ片Ｂ２は、各セグメントの隣り合ういずれか２箇所または１箇所に摺接する構成となっている。１箇所に摺接する時間は極めて短いので、以下の説明においては省略する。

　図３に示すように、陽極側ブラシ片Ｂ１がセグメントＳ２とＳ３に摺接し、それと１８０度の間隔を有する陰極側ブラシ片Ｂ２がセグメントＳ１４とＳ１５に摺接している状態における電流の流れについて説明する。

　セグメントＳ２より流入した電流は、セグメントＳ１８より集中巻コイルユニットＷ６を流れ、セグメントＳ１７とセグメントＳ９を経由して集中巻コイルユニットＷ３を流れ、セグメントＳ８とセグメントＳ２４を経由して集中巻コイルユニットＷ８を流れ、セグメントＳ２３を経由してセグメントＳ１５より流出する。同様に、セグメントＳ３より流入した電流は、セグメントＳ１１より集中巻コイルユニットＷ４を流れ、セグメントＳ１２とセグメントＳ２０を経由して集中巻コイルユニットＷ７を流れ、セグメントＳ２１とセグメントＳ５を経由して集中巻コイルユニットＷ２を流れ、セグメントＳ６を経由してセグメントＳ１４より流出する。これらの電流の流れる方向を、図３における各集中巻コイルユニットに矢印で示す。

　以上の通り、セグメントＳ２より流入した電流は、集中巻コイルユニットＷ６、Ｗ３、Ｗ８の直列回路を流れてセグメントＳ１５より流出し、セグメントＳ３より流入した電流は、集中巻コイルユニットＷ４、Ｗ７、Ｗ２の直列回路を流れてセグメントＳ１４より流出する。このように、陽極側ブラシ片Ｂ１より流入した電流は並列回路数が２回路で流れ、陰極側ブラシ片Ｂ２より流出することになる。このような電流の流れにより、この構成の直流モータは自起動可能となる。

　図４は、本実施の形態における渡り線ユニットの具体的な配線例を示す。前述の通り、複数の渡り線ユニットは、スロット２４を通過して集中巻コイルユニットの相互間を結線する渡り線ユニットを含む構成である。すなわち、渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８は、整流子の外周上で結線するのではなく、それぞれの集中巻コイルユニットとともに、電機子スロット２４に収納して各セグメントに結線される。その場合、集中巻コイルユニットの電流方向と一致するタイミングが多くなるスロット２４が選択される。

　図４は、具体的に、渡り線ユニットＣ１を収納するスロット２４の位置を示している。渡り線ユニットＣ１は、第１のセグメントＳ２よりティースＴ１とティースＴ２間のスロット２４を通り、ティースＴ２とティースＴ３間のスロット２４を通り、第３のセグメントＳ１０に結線される。さらに、第３のセグメントＳ１０よりティースＴ３とティースＴ４間のスロット２４を通り、ティースＴ５とティースＴ６間のスロット２４を通り、第２のセグメントＳ１８に結線される。

　図５は、図４に示す渡り線ユニットＣ１の結線をさらに具体的に示す図である。図５に示すように、電機子コア２３上面に配置される第１のセグメントＳ２から出た渡り線ユニットＣ１は、ティースＴ１とティースＴ２間のスロット２４を通過して電機子コア２３下面側に至り、破線で示すようにティースＴ２の下面側を通り、ティースＴ２とティースＴ３間のスロット２４を通過して上面側に戻り、第３のセグメントＳ１０に結線される。次に、第３のセグメントＳ１０から出た渡り線ユニットＣ１は、ティースＴ３とティースＴ４間のスロット２４を通過して電機子コア２３下面側に至り、ティースＴ４及びティースＴ５の下面側を通り、ティースＴ５とティースＴ６間のスロット２４を通過して上面側に戻り、第２のセグメントＳ１８に結線される。このように、本実施の形態の直流モータは、セグメントから出た渡り線ユニットが、あるスロット２４を通過して電機子コアの反対の面側に至り、ティースの下面側を通って他のスロット２４を通過し、第３のセグメントに戻るような結線を含む。

　さらに、この渡り線ユニットＣ１の各スロット２４における電流方向を矢印で示すように、各スロット２４において、渡り線ユニットＣ１と集中巻コイルユニットとの電流方向は一致している。なお、モータの回転によりブラシ位置が変遷するので、それに応じて電流方向は変化し、渡り線ユニットと集中巻コイルユニットの電流方向が常に一致するわけではないが、渡り線ユニットはこの一致するタイミングが多くなるスロット２４を選択して収納される。

　なお、図４及び図５では、渡り線ユニットＣ１をティースＴ２に半ターン、ティースＴ４とティースＴ５に対して半ターン巻回するような例を挙げたが、複数ターン巻回してもよく、それぞれの巻き回数は、適宜判断される。

　次に、図６は、渡り線ユニットＣ２を収納するスロット２４の位置を示している。渡り線ユニットＣ２は、第１のセグメントＳ５よりティースＴ２とティースＴ３間のスロット２４を通り、ティースＴ３とティースＴ４間のスロット２４を通り、第３のセグメントＳ１３に結線される。さらに、第３のセグメントＳ１３よりティースＴ４とティースＴ５間のスロット２４を通り、ティースＴ６とティースＴ７間のスロット２４を通り、第２のセグメントＳ２１に結線される。この渡り線ユニットＣ２の各スロット２４における電流方向を矢印で示すように、各スロット２４において、渡り線ユニットＣ２と集中巻コイルユニットとの電流方向は一致している。

　なお、この例においても、渡り線ユニットＣ２を上記ティースに複数ターン巻回してもよく、それぞれの巻き回数は、適宜判断される。

　以上の通り、渡り線ユニットＣ１とＣ２を収納するスロット２４の位置を示したが、その他の渡り線ユニットＣ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８も、同様に、集中巻コイルユニットの電流方向と一致するようにスロット２４を選択することができる。

　また、複数の渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８の全てを、上述のようにスロット２４を通過して集中巻コイルユニットの相互間を結線するような構成とすることが好ましい。しかし、いくらかの渡り線ユニットは電機子コア２３の上面側のみで集中巻コイルユニットの相互間を結線するような構成としてもよい。すなわち、複数の渡り線ユニットがスロット２４を通過して集中巻コイルユニットの相互間を結線する渡り線ユニットを含む構成であればよい。これにより、整流子周辺において渡り線ユニットが密集して生じる渡り線ユニットの膨らみを抑制でき、直流モータの小型化を図ることができる。

　陽極側ブラシ片Ｂ１と陰極側ブラシ片Ｂ２とは１８０度の間隔で配置されると説明したが、図４の構成に代えて、図７に示すように、６０度の間隔に配置してもよい。すなわち、陽極側ブラシ片Ｂ１に対して、陰極側ブラシ片Ｂ３を６０度の間隔で配置する。この場合は、陽極側ブラシ片Ｂ１がセグメントＳ２とＳ３に摺接し、それと６０度の間隔を有する陰極側ブラシ片Ｂ３はセグメントＳ６とＳ７に摺接している状態となり、この場合の電流の流れは下記の通りとなる。

　セグメントＳ２より流入した電流は、セグメントＳ１８より集中巻コイルユニットＷ６を流れ、セグメントＳ１７とセグメントＳ９を経由して集中巻コイルユニットＷ３を流れ、セグメントＳ８とセグメントＳ２４を経由して集中巻コイルユニットＷ８を流れ、セグメントＳ２３を経由してセグメントＳ７より流出する。同様に、セグメントＳ３より流入した電流は、セグメントＳ１１より集中巻コイルユニットＷ４を流れ、セグメントＳ１２とセグメントＳ２０を経由して集中巻コイルユニットＷ７を流れ、セグメントＳ２１とセグメントＳ５を経由して集中巻コイルユニットＷ２を流れ、セグメントＳ６より流出する。これらの電流の流れる方向を、図７における各集中巻コイルユニットに矢印で示す。

　ブラシ間距離が６０度の場合においても、セグメントＳ２より流入した電流は、集中巻コイルユニットＷ６、Ｗ３、Ｗ８の直列回路を流れてセグメントＳ７より流出し、セグメントＳ３より流入した電流は、集中巻コイルユニットＷ４、Ｗ７、Ｗ２の直列回路を流れてセグメントＳ６より流出する。このように、陽極側ブラシ片Ｂ１より流入した電流は並列回路数が２で流れ、陰極側ブラシ片Ｂ３より流出することになる。なおこの場合も、集中巻コイルユニットＷ１と集中巻コイルユニットＷ５は、短絡コイルとなり、駆動トルクには寄与できないことになる。

　この理由は次の通りである。セグメントＳ１４は渡り線ユニットＣ５でセグメントＳ６に接続されており、セグメントＳ１５は渡り線ユニットＣ８でセグメントＳ７に接続されているので、セグメントＳ６とＳ７に摺接している陰極側ブラシ片Ｂ３は、集中巻コイルユニットＷ５を短絡することになる。また、ブラシ間距離が１８０度の場合と同様に、逆電流が流れるコイルは存在しない。

　次に、渡り線ユニットＣ１を収納するスロット２４の位置について説明する。渡り線ユニットＣ１は、第１のセグメントＳ２よりティースＴ１とティースＴ２間のスロット２４を通り、ティースＴ２とティースＴ３間のスロット２４を通り、第３のセグメントＳ１０に結線される。さらに、第３のセグメントＳ１０よりティースＴ３とティースＴ４間のスロット２４を通り、ティースＴ５とティースＴ６間のスロット２４を通り、第２のセグメントＳ１８に結線される。この渡り線ユニットＣ１の各スロット２４における電流方向を矢印で示すように、各スロット２４ともに、集中巻コイルユニットの電流方向と一致していることがわかる。モータの回転によりブラシ位置が変遷するので、それに応じて電流方向は変化し、渡り線ユニットと集中巻コイルユニットの電流方向が常に一致するわけではないが、渡り線ユニットはこの一致するタイミングが多くなるスロット２４を選択して収納される。

　なお、この渡り線ユニットＣ１のそれぞれの巻き回数は、適宜判断される。

　また、本実施の形態の直流モータは、セグメント群のセグメント数Ｔは、界磁極の磁極数Ｐと集中巻コイルユニット数Ｎ（スロットの数、ティースの数と同数）とを乗じ、その乗じて得た数値の２分の１で構成される。すなわち、Ｔ＝（１／２）ＰＮである。そして、磁極数Ｐは２で割ると奇数になる偶数であり、集中巻コイルユニット数Ｎは磁極数Ｐの整数倍とならない偶数で構成される。具体的には、各数値は下記の通りで構成され、上記式を満足する。すなわち、セグメント数Ｔ＝２４、磁極数Ｐ＝６、集中巻コイルユニット数Ｎ＝８である。

　なお、各集中巻コイルユニットＷ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｗ６、Ｗ７、Ｗ８、及び各渡り線ユニットＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６、Ｃ７、Ｃ８は、絶縁層被覆された導体線で構成される。この絶縁層の厚み、材質、層数は、直流モータの仕様により適宜選択される。また、導体線の導体部、すなわち芯線部の材質は、銅、アルミニウム、銅合金、アルミニウム合金、少なくとも銅及びアルミニウムを含む合金、微量な不純物を含むアルミニウムまたはアルミニウム合金、マグネシウム合金など直流モータの仕様により適宜選択される。また、この絶縁層被覆された導体線は、単線、複線あるいはリッツ線（撚り線）など直流モータの仕様により適宜選択される。

　本発明の直流モータによれば、電機子コイルは、集中巻により各ティースに巻回されるので、各スロットの占積率を向上することができる。また、この電機子コイルは、セグメント群と渡り線ユニットを介して閉回路を構成するとともに、並列回路数を２回路とした構成であり、逆電流が流れる集中巻コイルユニットは存在せず、また短絡集中巻コイルユニット数を減らせ、且つ電機子コイルのインダクタンスの変化を抑制することができる。また、渡り線ユニットが収納されるスロットは、渡り線ユニットと集中巻コイルユニットの電流方向が一致するタイミングが多くなるように選択されるので、渡り線ユニットもトルク向上に寄与することができる。この構成により、整流子のセグメント間の火花の発生を抑制するとともに、駆動効率の向上と小型軽量化を実現する直流モータを提供することができる。

　本発明に係る直流モータは、ブラシと整流子とを有する直流モータであって、例えば、自動車に搭載される電装機器や電動工具の駆動用として好適である。整流子のセグメント間の火花の発生を抑制するとともに、駆動効率の向上と小型軽量化に寄与できる直流モータを提供できる。

　１１　　固定子
　１２　　マグネット
　１３　　フレーム
　１５　　マグネット固定バネ
　１７　　ブラケット
　１８　　取付孔
　２１　　電機子（回転子）
　２２　　電機子コイル
　２３　　電機子コア
　２４　　スロット
　２５　　整流子
　２５ｓ　　セグメント
　２５ｆ　　フック
　２８　　出力軸
　３１　　ブラシ
　３２　　ブラシホルダー
　３５，３６　　軸受
　Ｎ　　コイルユニット数
　Ｐ　　磁極数
　Ｔ　　セグメント数
　Ｂ１　　陽極側ブラシ片
　Ｂ２，Ｂ３　　陰極側ブラシ片
　Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８　　渡り線ユニット
　Ｓ２，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１７，Ｓ２０，Ｓ２３　　第１のセグメント
　Ｓ３，Ｓ６，Ｓ９，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１８，Ｓ２１，Ｓ２４　　第２のセグメント
　Ｓ１，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ１０，Ｓ１３，Ｓ１６，Ｓ１９，Ｓ２２　　第３のセグメント
　Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８　　ティース
　Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６，Ｗ７，Ｗ８　　集中巻コイルユニット

Claims (12)

1. 複数の界磁極を有する固定子と、
   複数のティースと前記ティース相互間にスロットを有する電機子コアと、前記ティースに巻回され前記スロットに収納された電機子コイルと、複数のセグメントより成るセグメント群を有する整流子とを備えた電機子と、
   前記セグメントに摺接して前記電機子コイルに給電するブラシとを備え、
   前記電機子コイルが、各々のティースに集中巻にて巻回された複数の集中巻コイルユニットと、前記集中巻コイルユニットの相互間を結線して電気的に接続する複数の渡り線ユニットとを含む直流モータであって、
   前記セグメント群は、前記集中巻コイルユニットの一端が接続される第１のセグメントと、前記集中巻コイルユニットの他端が接続される第２のセグメントと、前記渡り線ユニットのみが接続される第３のセグメントとを含み、
   前記第１のセグメントと前記第２のセグメントとは隣接配置され、前記隣接配置の隣りに前記第３のセグメントが配置され、
   前記複数の渡り線ユニットは、前記スロットを通過して前記集中巻コイルユニットの相互間を結線する渡り線ユニットを含むことを特徴とする直流モータ。
2. 前記電機子コイルは、前記集中巻コイルユニットと前記渡り線ユニットとが前記セグメント群を介して直列閉回路を構成することを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
3. 前記スロットを通過する渡り線ユニットと前記集中巻コイルユニットの電流方向が一致するタイミングが多くなるように、前記スロットを通過する渡り線ユニットが前記相互間を結線することを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
4. 前記セグメント群は、それぞれ同数の前記第１のセグメントと前記第２のセグメントと前記第３のセグメントとを備え、且つ、前記セグメント群のセグメント数は、前記第１のセグメント数と前記第２のセグメント数と前記第３のセグメント数との和であることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
5. 任意の前記第１のセグメントは１２０度間隔の位置に前記第２のセグメントまたは前記第３のセグメントが配置され、任意の前記第２のセグメントは１２０度間隔の位置に前記第３のセグメントまたは前記第１のセグメントが配置され、任意の前記第３のセグメントは１２０度間隔の位置に前記第１のセグメントまたは前記第２のセグメントが配置されることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
6. 前記第１のセグメント相互間、前記第２のセグメント相互間、及び前記第３のセグメント相互間は、それぞれ４５度間隔に配置されることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
7. 前記セグメント群のセグメント数をＴ、前記界磁極の磁極数をＰ、前記電機子コイルのコイルユニット数をＮとすると、Ｔ＝（１／２）ＰＮを満足することを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
8. 前記磁極数Ｐは２で割ると奇数になる偶数であり、前記集中巻コイルユニット数Ｎは前記磁極数Ｐの整数倍とならない偶数であることを特徴とする請求項７記載の直流モータ。
9. 前記磁極数Ｐは６、前記集中巻コイルユニット数Ｎは８、前記セグメント数Ｔは２４であることを特徴とする請求項７記載の直流モータ。
10. 前記ブラシは、１対の陽極側ブラシと陰極側ブラシとを含み、前記陽極側ブラシと前記陰極側ブラシとは１８０度間隔または６０度間隔に配置されることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
11. 前記ブラシは、隣り合う２つの前記セグメントに摺接し、前記ブラシから前記電機子コイルへ並列回路数２回路で給電されることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
12. 前記電機子コイルは、巻装された巻線の芯線部の材質が、少なくとも銅及びアルミニウムを含む合金、微量な不純物を含むアルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。

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