直流电动机的电枢、直流电动机以及直流电动机的电枢绕组方法

摘要

本发明涉及8极10槽20换向器片、或12极15槽30换向器片的任何一种的直流电动机的电枢(3)，在换向器上设置对成为相同单位的换向器片(14)彼此进行短路的连接线(25)，在具有与邻接的换向器片(14)之间的电位差相等的电位差的换向器片(14)之间电连接绕组(12)，并且在丁字钢(9)上卷绕绕组(12)形成电枢线圈(7)。由此，提供相对于3相直流电动机，能够谋求更小型化、长寿命化以及高性能化的直流电动机的电枢、直流电动机、以及直流电动机的电枢绕组方法。

说明书

技术领域

本发明涉及在车辆等上装载的直流电动机的电枢、直流电动机、以及直流电动机的电枢绕组方法。

本申请基于2006年10月30日在日本专利局申请的日本专利申请2006-293868、以及2007年10月24日在日本专利局申请的日本专利申请2007-276373号主张优先权，并在此引用其内容。

背景技术

历来，已知在车辆等上装载的带电刷的直流电动机。该直流电动机是在内周面上安装有偶数个磁铁的圆筒状的磁轭的内侧，卷绕有电枢线圈的电枢以能够自由旋转的方式配置的结构。电枢具有在旋转轴上外嵌固定的电枢铁芯。在电枢铁芯上沿圆周方向放射状地形成用于卷绕绕组的丁字钢(tees)，在这些丁字钢之间在轴方向上形成有长槽(slot)。绕组(winding)被卷绕到各丁字钢上，形成3相卷绕结构的线圈。各线圈与安装在旋转轴上的各换向器片(segment)导通。各换向器片能够与电刷滑接，通过从该电刷对换向器片端子施加电压，从而对各线圈供给电流。

这时，流到各线圈的电流的相位产生偏差，由此在各线圈形成不同的磁场，利用在磁轭与磁铁之间产生的磁吸引力和排斥力，驱动旋转轴。

可是，近年来，在以上述方式构成的三相直流电动机中，要求进一步小型化、长寿命化、以及高性能化。因此，提出了以下技术，即通过磁铁的多极化、以及使槽数增加，使变动力矩(cogging torque，在电动机中产生的振动)、电动机的力矩不均匀降低，并且使换向器(commutator)的一部分被收容在电枢铁芯上形成的收容孔中，由此谋求电动机的小型化(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利特开2006-204070号公报

可是，在上述的现有技术中，由于电动机的极数和槽数是规则的(2极3槽的极对数倍)，所以当在各线圈与磁铁之间使所希望的磁吸引力或排斥力发生时，有换向器片间的电压变高的倾向。因此，谋求提高电刷的耐久性有极限，结果是存在难以成为有效的电动机的长寿命化的方法的问题。

此外，降低变动力矩和电动机的力矩不均匀存在极限，有难以谋求高性能化的问题。

发明内容

因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，提供一种相对于三相直流电动机，能够谋求更小型化、长寿命化、以及高性能化的直流电动机的电枢、直流电动机以及直流电动机的电枢绕组方法。

解决问题的方法

为了解决上述课题，本发明的第一发明的直流电动机的电枢，包括：旋转轴，被具有多个磁极的磁轭轴支撑；多个丁字钢，安装在上述旋转轴上，并朝向径方向放射状地延伸；电枢铁芯，具有在上述丁字钢之间形成、沿着轴方向延伸的多个槽；以及换向器，与上述电枢铁芯邻接地设置在上述旋转轴上，在圆周方向上配置有多个换向器片，该电枢是8极10槽20换向器片、或12极15槽30换向器片的任何一种，该直流电动机的电枢的特征在于，在上述换向器上设置有对成为相同电位的换向器片彼此进行短路的短路构件，在具有与邻接的换向器片间的电位差相等的电位差的换向器片之间电连接绕组，并且在上述丁字钢上该卷绕绕组，形成线圈。

在该情况下，本发明的第二发明是，可以在相当于同相的丁字钢彼此上连续卷绕上述绕组。

此外，本发明的第三发明是，可以在上述邻接的换向器片之间电连接上述绕组，在上述丁字钢的每一个上分别卷绕不同的上述绕组。

通过以这样的方式构成，能够使电枢为5相卷绕结构，因此与三相卷绕结构的电枢相比能够使换向器片间的电压下降。

此外，通过以短路构件将成为相同电位的换向器片彼此短路，从而不再需要设置与换向器片的个数相同数量的电刷，能够降低电刷的设置数量。

进而，由于成为相同电位的换向器片彼此被短路，所以不再需要将绕组的卷绕起始端与卷绕结束端连接在邻接的换向器片之间，能够电连接在卷绕起始端、卷绕结束端的各自附近存在的换向器片上。因此，能够防止换向器与电枢铁芯之间的卷太粗。

本发明的第四发明是一种直流电动机，其特征在于，使用第一发明～第三发明的任何一种直流电动机的电枢。

本发明的第五发明是一种直流电动机的电枢绕组方法，该直流电动机的电枢包括：旋转轴，被具有多个磁极的磁轭轴支撑；多个丁字钢，安装在上述旋转轴上，并朝向径方向放射状地延伸；电枢铁芯，具有在上述丁字钢之间形成、沿着轴方向延伸的多个槽；以及换向器，与上述电枢铁芯邻接地设置在上述旋转轴上，在圆周方向上配置有多个换向器片，该电枢是8极10槽20换向器片、或12极15槽30换向器片的任何一种，该直流电动机的电枢绕组方法的特征在于，以短路构件对成为相同电位换向器片彼此进行短路，在具有与邻接的换向器片之间的电位差相等的电位差的换向器片之间电连接绕组，在相当于同相的丁字钢彼此上连续卷绕上述绕组。

本发明的第六发明是一种直流电动机的电枢绕组方法，该直流电动机的电枢包括：旋转轴，被具有多个磁极的磁轭轴支撑；多个丁字钢，安装在上述旋转轴上，并朝向径方向放射状地延伸；电枢铁芯，具有在上述丁字钢之间形成、沿着轴方向延伸的多个槽；以及换向器，与上述电枢铁芯邻接地设置在上述旋转轴上，在圆周方向上配置有多个换向器片，该电枢是8极10槽20换向器片、或12极15槽30换向器片的任何一种，该直流电动机的电枢绕组方法的特征在于，以短路构件对成为相同电位的换向器片彼此进行短路，在上述邻接的换向器片之间电连接绕组，并且对上述丁字钢的每一个分别卷绕不同的上述绕组。

发明的效果

根据本发明，由于能够使电枢为5相卷绕结构，所以与3相卷绕结构的电枢相比能够使换向器片间的电压下降。因此，能够延长电刷的寿命，结果能够延长电动机的寿命。

此外，通过采用5相卷绕结构的电动机，与3相卷绕结构的电动机相比每一次旋转的电流的变化小，因此，比起3相卷绕结构的电动机，能够使电动机的变动力矩、电动机的力矩不均匀降低。因此，能够谋求直流电动机的高性能化。

而且，因为通过以短路构件对成为相同电位的换向器片彼此进行短路，从而不再需要设置与换向器片的个数相同数量的电刷，能够使电刷的设置数量减少。因此，能够使部件件数减少，能够削减制造成本，并且能够使直流电动机进一步小型化。

此外，由于成为相同电位的换向器片彼此被短路，所以不再需要将绕组的卷绕起始端与卷绕结束端连接在邻接的换向器片之间，能够电连接在卷绕起始端、卷绕结束端的各自附近存在的换向器片上。因此，能够防止换向器与电枢铁芯之间的卷太粗。由此，能够进一步谋求直流电动机的小型化。

进而，根据本发明，通过使用第一发明的电枢，能够提供相对于3相直流电动机实现更小型化、长寿命化以及高性能化的直流电动机。

附图说明

图1是本发明的实施方式的电动机的纵剖面图。

图2是本发明的实施方式的电动机的横剖面图。

图3是表示本发明的第一实施方式的电枢线圈的卷绕状态的电枢的展开图。

图4是表示本发明的第一实施方式的变动力矩的变化的图表。

图5是表示本发明的第一实施方式的力矩的变化的图表。

图6是表示本发明的第一实施方式的电刷的耐久时间的图表。

图7是表示本发明的第一实施方式的电枢线圈的卷绕状态的电枢的展开图。

图8是表示本发明的第二实施方式的电枢线圈的卷绕状态的电枢的展开图。

图9是表示本发明的第二实施方式的电枢线圈的卷绕状态的电枢的展开图。

附图标记说明

1.电动机

2.电动机壳体(磁轭)

3.电枢

4.永磁铁(磁极)

5.旋转轴

6.电区

7.电枢铁芯

7a.第一线圈(线圈)

7b.第二线圈(线圈)

7c.第三线圈(线圈)

9.丁字钢

11.槽

12.绕组

13.换向器

14、14a、14b、14c、14d、14e、14f.换向器片

25.连接线(短路构件)

具体实施方式

接着，基于图1～图6对本发明的第一实施方式进行说明。

如图1、图2所示，电动机1是装载在车辆上的电气安装件(例如，散热器风扇)的驱动源，是在有底圆筒形状的电动机壳体2内以旋转自由的方式配置了电枢3的结构。在电动机壳体2的内周面上在圆周方向上固定有多个永磁铁4。具体地说是8个永磁铁4，也就是说具有8个磁极。

电枢3由在旋转轴5上固定的电枢铁芯6、在电枢铁芯6上卷绕的电枢线圈7、在电枢铁芯6的一端侧配置的换向器13而构成。电枢铁芯6是在轴方向上层叠多枚环状的金属板8的结构。在金属板8的外周部上沿着圆周方向等间隔地放射状地形成有多个(在本实施方式中是10个)T字形的丁字钢9(参照图2)。通过在旋转轴5上外嵌多枚金属板8，在电枢铁芯6的外周上在邻接的丁字钢9之间形成有燕尾槽状的槽11。槽11沿着轴方向延伸，沿着圆周方向等间隔地形成有多个(在本实施方式中是10个)。

在该槽11间卷绕瓷漆(enamel)被覆的绕组12，由此在电枢铁芯6的外周形成多个电枢线圈7。

换向器13被外嵌固定在旋转轴5的一端。在换向器13的外周面上，安装有多个(在本实施方式中是20个)以导电材料形成的换向器片14。

换向器片14由在轴方向上长的板状的金属片构成，以彼此绝缘的状态沿着圆周方向等间隔地并列固定。在各换向器片14的电枢铁芯6一侧的端部上，整体形成有以向外径侧翻回的形式被折弯的竖片(riser)15。成为电枢线圈7的卷绕起始端部和卷绕结束端部的绕组12挂绕在竖片15上，绕组12通过熔融固定在竖片15上。由此，换向器片14和与此对应的电枢线圈7电连接。

此外，如图2所示，与成为相同电位的换向器片(在本实施方式中是每隔四个的换向器片14)对应的竖片15上分别挂绕有连接线25，连接线25通过熔融固定在竖片15上。连接线25用于对成为相同电位的换向器片14彼此进行短路，在换向器13与电枢铁芯6之间布线。

如图1所示，旋转轴5的另一端侧被在电动机壳体2上突出形成的轴毂(boss)内的轴承16旋转自由地支撑。在电动机壳体2的开口端上设置有盖17，在该盖17的内侧安装有支撑物(holder stay)18。在支撑物18上，在绕圆周方向上隔开45°的间隔形成有两处刷握(brushholder)19。电刷21分别经由各个弹簧21在被加力的状态下出没自由地内置在刷握19中。由于该电刷21的前端部通过弹簧29被加力，所以与换向器13滑接，来自外部的电源经由电刷21被供给到换向器13。

在以上述方式构成的8极10槽20换向器片的电动机1的电枢3上，按照以下方式卷绕绕组12。

图3是将电枢3的换向器片14(竖片15)和丁字钢9、在电动机壳体2侧固定的永磁铁4、和连接线25展开后的图，邻接的丁字钢9之间的空隙相当于槽11。再有，在以下的附图中，分别对各换向器片14、各丁字钢9以及卷绕的绕组12赋予符号进行说明。

如同图所示，成为相同电位的换向器片14彼此通过连接线25被短路。也就是说，每隔四个的换向器片14彼此通过连接线25被分别短路。

此外，U、V、W、X、Y相在围绕圆周的方向上分别以该顺序被分配给各丁字钢9。也就是说，第一、第六丁字钢9是U相，第二、第七丁字钢9是V相，第三、第八丁字钢9是W相，第四、第九丁字钢9是X相，第五、第十丁字钢9是Y相。

绕组12例如在其卷绕起始端部30从第一换向器片14a起开始卷绕的情况下，首先在第一换向器片14a的竖片15上挂绕之后，将绕组12引入在第一换向器片14a附近存在的第一～第十丁字钢9之间的槽11a。

然后，在第一丁字钢9上卷绕n(n是1以上的自然数)次形成第一线圈7a。

接着，从第一～第二丁字钢9之间的槽11b引出绕组12，引入第五～第六丁字钢9之间的槽11c。然后，在第六丁字钢9上卷绕n次形成第二线圈7b。该第一丁字钢9和第六丁字钢9存在于以旋转轴5为中心彼此点对称的位置上。

绕组12在形成第二线圈7b之后，从第六～第七丁字钢9之间的槽11d被引出，在第六丁字钢9附近存在的第十二换向器片14b的竖片15上挂绕。然后，将绕组12的卷绕结束端40连接在第十二换向器片14b上。由此，在第一、第十二换向器片14a、14b之间形成电枢线圈7(U相)，该电枢线圈7(U相)具备：被卷绕在第一丁字钢9和第六丁字钢9上，并且串联连接的一对线圈7a、7b。再有，连接有卷绕结束端40的第十二换向器片14b和与第一换向器片14a邻接的第二换向器片14e，通过连接线25被短路。因此，第一换向器片14a、第十二换向器片14b之间的电位差，与邻接的换向器片(换向器片14a、14e)之间的电位差相等。

同样地，例如在绕组12的卷绕起始端30从第三换向器片14c起开始卷绕的情况下，首先在第三换向器片14c的竖片15上挂绕之后，将绕组12引入在第三换向器片14c附近存在的第一～第二丁字钢9之间的槽11b。然后，在第二丁字钢9上卷绕n次形成第一线圈7a。

接着，从第二～第三丁字钢9之间的槽11e引出绕组12，引入第六～第七丁字钢9之间的槽11d。然后，在第七丁字钢9上卷绕n次形成第二线圈7b。该第二丁字钢9和第七丁字钢9存在于以旋转轴5为中心彼此点对称的位置上。

绕组12在形成第二线圈7b之后，从第七～第八丁字钢9之间的槽被引出，在第七丁字钢9附近存在的第十四换向器片14d的竖片15上挂绕。然后，将绕组12的卷绕结束端40连接在第十四换向器片14d上。由此，在第二、第十四换向器片14c、14d之间形成电枢线圈7(V相)，该电枢线圈7(V相)具备：被卷绕在第二丁字钢9和第七丁字钢9上，并且串联连接的一对线圈7a、7b。

然后，一边反复该过程依次在各换向器片14之间形成两个线圈7a、7b一边进行卷绕，由此在电枢铁芯6上形成5相(U，V，W，X，Y相)卷绕结构的电枢线圈7。

此外，由于成为相同电位的换向器片14彼此通过连接线25被短路，结果成为在邻接的换向器片14之间，U，V，W，X，Y相的电枢线圈7以该顺序依次被电连接的结构。也就是说，在第一～第二换向器片14a、14e之间连接U相的电枢线圈7，在第二～第三换向器片14e、14c之间连接X相的电枢线圈7，接着在邻接的换向器片14之间分别连接有V，Y，W相的电枢线圈7。

因此，如上述第一实施方式那样，通过采用5相卷绕结构的电动机，旋转中的电流变化的次数增多，由此，每次换流的电流的变化比3相卷绕结构的电动机小，因此能够使电动机的力矩的不均匀减少。

此外，由于以8极10槽构成，所以能够使该次数为40次。相对于此，3相直流电动机的同磁极数(8极12槽)的结构的次数变为24次。即，通过采用5相卷绕结构(8极10槽)的电动机，与3相直流电动机相比能够使次数增加，因此比起3相直流电动机能够减小变动力矩。

这里，通常次数与电枢1旋转中的变动力矩的山峰的数量相等。因此，次数越多，越能够使电枢1旋转中的山峰、即变动力矩变小。

图4是在将纵轴作为变动力矩、将横轴作为电枢的任意角度θ的情况下，比较该第一实施方式的电动机1(8极、10槽，8P-10S)，和现有的3相卷绕结构的电动机(8极、12槽，8P-12S)的变动力矩的变化的图表。根据该图，能够确认电动机1的变动力矩相对于现有的电动机的变动力矩减少一半。

图5是将纵轴作为力矩、将横轴作为电枢的任意角度θ时的比较该第一实施方式的电动机1(8P-10S)，和现有的电动机(8P-12S)的力矩的不均匀的图表。根据该图，能够确认电动机1的力矩不均匀相对于现有的电动机的变动力矩减少大约一半。

此外，通过采用5相卷绕结构，与3相卷绕结构的电动机相比能够使换向器片之间电压下降，能够延长电刷21的寿命。

图6是对该第一实施方式的电动机1(8P-10S)，和现有的电动机(8P-12S)的电刷21的耐久时间进行比较的图。如同图所示，电动机1的电刷21的寿命与现有的电动机(8P-12S)相比，延长大约2倍。再有，换向器片14的设置个数相对于槽11变为两倍，这也能使换向器片14间的电压下降，由此，能够进一步延长电刷21的寿命。

此外，根据上述第一实施方式，由于成为相同电位的换向器片14彼此通过连接线25被短路，所以不需要对与相同的相(U，V，W，X，Y相)对应的换向器片14都设置电刷21，能够减少电刷21的设置数量。因此，通过减少部件件数，能够削减制造成本，并且能够使直流电动机进一步小型化。

进而，不需要将绕组12的卷绕开始端30和卷绕结束端40连接在邻接的换向器片14之间，而能够连接在卷绕开始端30、卷绕结束端40各自附近存在的换向器片14上。因此，能够防止换向器13与电枢6之间的卷太粗。由此，能够进一步使电动机1小型化。

再有，在该第一实施方式中，说明了串联连接在彼此同相的丁字钢9上分别形成的一对线圈7a、7b，形成电枢线圈7的结构的情况，但如图7所示，也可以是在邻接的换向器片14之间连接绕组12，在丁字钢9的每一个上卷绕绕组12的结构。

在该情况下，在绕组12例如其卷绕起始端30从第一换向器片14a起开始卷绕的情况下，首先在第一换向器片14a的竖片15上挂绕之后，将绕组12引入在第一换向器片14a附近存在的第一～第十丁字钢9之间的槽11a。然后，在第一丁字钢9上卷绕n次。

接着，从第一～第二丁字钢9之间的槽11b引出绕组12，在与第一换向器片14a邻接的第二换向器片14e的竖片15上挂绕。然后，在第二换向器片14e上连接卷绕结束端40。由此，在第一、第二换向器片14a、14e之间形成在第一丁字钢9上卷绕的U相的电枢线圈7。然后，一边反复该过程依次在邻接的换向器片14之间形成对丁字钢9的每一个卷绕的电枢线圈7，一边进行卷绕，由此在电枢6上形成5相(U，V，W，X，Y相)卷绕结构的电枢线圈7。

此外，由于成为相同电位的换向器片14彼此通过连接线25被短路，结果成为在邻接的换向器片14之间，U，V，W，X，Y相的电枢线圈7以该顺序依次被电连接的结构。进而，通过连接线25，从电刷21对换向器片14施加电压，对电枢线圈7供给电流的情况下，该电刷21对与抵接的换向器片14相当的相的电枢线圈7的全部供给电流。

像这样，当对丁字钢9的每一个形成电枢线圈7时，与串联连接在彼此同相的丁字钢9上分别形成的一对线圈7a、7b而形成电枢线圈7的情况下的并联电路数(电动机的并联电路数是2)相比，能够使并联电路数量增加(电动机的并联电路数是4)。因此，能够使绕组12的线径变细。

接着，援用图1，基于图8、图9对本发明的第二实施方式进行说明。

在该第二实施方式中，对设置了12个永磁铁4(磁极)、15个槽11、30个换向器片14的12极15槽30换向器片的电动机1进行说明。再有，在该第二实施方式中，在围绕圆周方向上隔开30°形成两处刷握(brush holder)19。

如图8所示，在绕组12例如其卷绕起始端30从第一换向器片14a起开始卷绕的情况下，首先在第一换向器片14a的竖片15上挂绕之后，将绕组12引入在第一换向器片14a附近存在的第一～第十五丁字钢9之间的槽11a。然后，在第一丁字钢9上卷绕n次形成第一线圈7a。

接着，从第一～第二丁字钢9之间的槽11b引出绕组12，引入第五～第六丁字钢9之间的槽11c。然后，在第六丁字钢9上卷绕n次形成第二线圈7b。进而，从第六～第七丁字钢9之间的槽11d引出绕组12，引入第十～第十一丁字钢9之间的槽11g。然后，在第十一丁字钢9上卷绕n次形成第三线圈7c。该第一丁字钢9、第六丁字钢9和第十一丁字钢9分别存在于120°间隔上。

绕组12在形成第三线圈7c之后，从第十一～第十二丁字钢9之间的槽11h被引出，在第十一丁字钢9附近存在的第二十二换向器片14f的竖片15上挂绕。然后，将绕组12的卷绕结束端40连接在第二十二换向器片14f上。由此，在第一、第二十二换向器片14a、14f之间形成U相的电枢线圈7，该U相的电枢线圈7具备：在第一丁字钢9、第六丁字钢9和第十一丁字钢9上卷绕、并且串联连接的线圈7a、7b、7c。

然后，一边反复该过程依次在各换向器片14之间形成三个线圈7a、7b、7c一边进行卷绕，由此在电枢6上形成5相(U，V，W，X，Y相)卷绕结构的电枢线圈7。

因此，根据上述第二实施方式，即使是12极15槽30换向器片的电动机1，也能够得到与第一实施方式相同的效果。进而，通过使永磁铁4(极数)和槽11增加，与第一实施方式相比，能够进一步使变动力矩和电动机1的力矩不均匀下降。

再有，在该第二实施方式中，对在串联连接彼此同相的丁字钢9上分别形成的三个线圈7a、7b、7c而形成电枢线圈7的结构的情况进行了说明，但如图9所示，也可以是将绕组连接在邻接的换向器片14之间，对丁字钢9的每一个卷绕绕组12形成电枢线圈7的结构。

在该情况下，与将在同相的丁字钢9上分别形成的三个线圈7a、7b、7c串联连接而形成电枢线圈7的情况下的并联电路数(电动机的并联电路数量是2)相比较，能够使并联电路数量增加(电动机的并联电路数量是6)。因此，能够使绕组12的线径变细。

再有，本发明并不被上述实施方式限定，还包含在不脱离本发明的主旨的范围中，对上述实施方式施加各种变更的情况。

此外，在上述实施方式中，说明了在成为相同电位的换向器片14彼此通过连接线25被短路的情况下，在支撑物18上形成两处刷握19，各电刷21经由各个弹簧29以被加力的状态出没自由地内置在该刷握19中的情况。可是，即使是在成为相同电位的换向器片14彼此通过连接线25被短路的情况下，刷握19(电刷21)的设置处所也不被限定为两处，能够对应于向各电枢线圈7供给的电流密度的大小进行增设。

进而，在上述实施方式中，说明了绕组12的卷绕起始端30与卷绕结束端40分别位于被卷绕的丁字钢9的附近，并且连接在与该丁字钢9的相(U，V，W，X，Y相)相当的换向器片14上的情况，但并不限定于此。卷绕起始端30与卷绕结束端40只要连接在与该绕组12被卷绕的丁字钢9的相相当的换向器片14上即可。

此外，在上述实施方式中，说明了电枢铁芯6是将环状的金属板8在轴方向上层叠多枚而成，在金属板8的外周部沿着圆周方向等间隔地放射状地形成多个T字形的丁字钢9的情况，但电枢铁芯6的形状并不限定于此，是在圆周方向上能够分割的分割铁芯方式也可，是以相对于轴方向一边扭转一边倾斜的方式具有斜交角(skew angle)的形状也可。