专利名称：整流子电动机和电动钻的制作方法
技术领域：
本发明涉及缠绕在定子上的磁场绕组通过电刷和整流子与缠绕在转子上的转子绕组连接，并且磁场绕组和转子绕组与交流电源相连接的整流子电动机，具体涉及用于将电动机的转子保持在停止状态的结构。另外，本发明还涉及具有整流子的交流电动机(整流子电动机)和电动钻，具体涉及可以通过简单的结构进行大范围的转矩控制的整流子电动机、以及内置该整流子电动机的电动钻。此外，本发明还涉及缠绕在定子上的磁场绕组通过电刷和整流子与缠绕在转子上的转子绕组连接，并且磁场绕组和转子绕组与交流电源相连接的整流子电动机。
背景技术：
在电动机中，在有外力作用的情况下，为了使电动机的转子维持在停止状态，需要驻车制动(parking brake)这样的停止状态维持功能。以往，为了将电动机转子保持在停止状态，有以下等电动机附加了用于机械地约束电动机的输出轴的锁定机构的电动机(例如，专利文献1特开平7-277157号公报)，或者根据位置传感器的输出产生逆转矩，以将转子电气地保持在停止状态的电动机。
例如，在伺服电动机的情况下，需要检测转子的位置，并反馈该检测位置以使磁场绕组的电压和电流变化，或者切换电源的极性，为此需要能够在外部对电阻和PWM等造成的大功率进行控制的装置。另外，为了在不使用位置传感器的状态下维持停止状态，为了保持停止位置，始终需要大的控制电流(电力)。另一方面，在感应电动机的情况下，虽然想通过固定磁场绕组来获得同样的停止状态保持功能，但是由于滑动，存在伴随时间的经过而产生位置偏移的问题。另外，在步进电动机的情况下，在其特性上存在停止后位置即使偏移也不能够修复、或者没有大容量电动机的问题。
在这种现有的电动机中，为了保持转子的停止状态，需要机械的锁定机构，或者需要检测转子的位置、然后反馈该检测位置以使磁场绕组的电压和电流变化的伺服控制电路，存在装置结构复杂、规模大、价格高、耗电增多的问题。另外，在使用伺服控制电路保持停止状态的情况下，需要能够控制大功率的结构，因而存在难以简单地应对大功率的大型机器的问题。
另外，一般地，在电动机中进行速度控制的情况下，例如采用以下等各种方法利用可变电阻器的电阻变化来进行速度控制的方法；通过伺服控制、滑动变压器、导通角控制等来使电压变化，从而进行速度控制的方法；通过利用VVVF(Variable Voltage Variable Frequncy)等变频器使频率变化来进行速度控制的方法；通过极数切换来进行速度控制的方法。
但是，根据上述现有技术，无论采用哪种方法，为了进行电动机的速度控制都需要控制用外部装置，因此存在装置结构变得复杂、导致成本升高的问题，并且，还存在不能使电阻值和电压值在大范围内变化，或者由于仅限于几个阶段的速度变化，因此速度控制范围被限定的问题。另外，在基于使用电阻、三端双向可控硅开关(triac)等的电流限制的旋转速度控制中，在低电流时，转矩变得极弱，导致旋转不稳定。
另外，在上述现有技术中，在切换转子的旋转方向的情况下，由于要切换定子绕组的极性、或者使旋转磁场的相位反转，因此存在装置结构变得复杂的问题。
另外，对于电动机，在其特性上不能使旋转转矩在大范围内变化。另外，在使用三端双向可控硅开关的控制中，由于在波形的零交叉附近产生不稳定部分，因此在低速旋转时难以平稳运转。
在专利文献2(特开2000-270529号公报)中，公开了通过操作电刷来进行速度控制的技术。即，在该专利文献2中，在通常情况下，在相对于磁场的磁极成90度的角度(即，相位偏移90度)的位置处，将电刷配置在形成有电枢的磁极的位置上，通过从该位置控制电刷的位置，来进行电枢的速度控制和旋转方向的切换控制。
但是，在专利文献2中，当接通电源时，在相对于磁场的磁极成90度的角度的位置处，在形成有电枢的磁极的位置上配置有电刷，因此接通电源时，磁场绕组和电枢绕组的电抗值变小，因而存在流过大的突入电流，磁场绕组和电枢绕组烧坏，或者整流子和电刷产生故障等问题。为了消除该问题，需要加入起始电阻，或者进行电源频率的相位控制，因而装置结构变得复杂，且变得昂贵。
本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种可以通过简单且便宜的结构来可靠地维持转子的停止状态的整流子电动机。
另外，本发明的目的还在于提供一种能够通过简单的结构使旋转转矩在大范围内变化，并且在速度控制中不需要外部装置即可获得大的速度控制范围，而且还能够容易地进行旋转方向的反转的整流子电动机以及内置该整流子电动机的电动钻。
另外，本发明的目的还在于提供一种能够通过简单且便宜的结构将电源接通时的突入电流抑制得很小，并且能够容易地应对大功率的大型机器，此外，电流消耗也很少的整流子电动机。
发明内容
为了达到上述目的，在本发明的整流子电动机中，缠绕在定子上的磁场绕组通过电刷和整流子与缠绕在转子上的转子绕组连接，磁场绕组与转子绕组与交流电源连接，上述整流子电动机的特征在于，上述电刷构成为可以在整流子的圆周方向转动，并且具有电刷施力单元，其通过向电刷赋予规定的接触压力使得在电刷与整流子之间获得用于使位于基点位置的电刷与整流子一起转动的摩擦力，通过该电刷施力单元来使转子保持在停止状态。
根据本发明，通过电刷施力单元对电刷赋予规定的接触压力使得在电刷与整流子之间获得用于使电刷与转子和整流子一起转动的摩擦力。在电刷位于基点位置的转子停止时，当外力作用于转子使转子向正转方向旋转时，与此同时，电刷也一起从基点位置向正转方向转动。通过该电刷的移动，在转子上产生向反转方向的转矩，转子反转到原来的位置。在该转子反转时，电刷也与转子一起转动。与上述一样，在外力作用于转子使转子向反转方向旋转的情况下，电刷也随着转子的反转而向反转方向转动。通过该电刷的移动，在转子上产生正转方向的转矩，转子与电刷一起返回到原来的位置。这样，根据本发明，通过对电刷赋予规定的压力使得在电刷与整流子之间获得使电刷与整流子一起转动的摩擦力，从而将转子保持在停止状态，因此，不需要机械的锁定机构或者伺服控制电路，可以使装置结构简单且便宜。另外，由于不需要伺服机构，因此可以容易地对应大功率的大型机器。而且，由于电刷基本位于0度位置附近，因此可以减少电流消耗。
以下发明的整流子电动机具有定子绕组，其缠绕在定子铁芯上；转子绕组，其缠绕在转子铁芯上，电刷，其与整流子接触，上述整流子由多个整流子片构成，并与转子绕组连接，另外，定子绕组和转子绕组分别与交流电源连接，上述整流子电动机的特征在于，定子绕组和转子绕组为串绕连接或并绕连接，整流子的各个整流子片在轴方向上具有扭转，电刷和整流子可以沿整流子的轴方向相对移动。
根据本发明，由于构成为电刷和整流子可以沿整流子的轴方向相对移动，因此，仅通过使电刷相对于整流子沿轴方向相对移动，即可进行大范围的转矩控制，即速度控制，而不需要以往的变频器和伺服控制部等外部装置的设置，结构变得简单且便宜，而且，仅通过电刷与整流子在轴方向的相对移动即可容易地变更旋转方向，而不再需要开关的切换等操作。另外，如使用三端双向可控硅开关的控制那样的、在波形的零交叉附近的不稳定部分也都消失，因而即使在低速旋转时也可以平稳地运转。
下面发明的整流子电动机的特征在于，在上述发明中，各整流子片的扭转角度为如下的角度在电刷和整流子的相对轴方向移动范围内，在电刷或整流子的任一方移动时，能够与电刷接触的整流子片的片数为相当于与该整流子片相连的转子绕组的电角中的差大于等于90度的片数。
根据本发明，通过形成如下所述的扭转角，至少可以进行从0转矩到最大附近的转矩之间的转矩控制，其中该扭转角为在电刷和整流子的相对轴方向移动范围内使电角大于等于90度。
下面发明的整流子电动机的特征在于，在上述发明中，电刷与整流子的相对轴方向移动范围是以转子绕组的电角大致0度的电刷位置为中心±90度或以上。
根据本发明，电刷和整流子的相对轴方向移动范围是以转子绕组的电角大致0度的电刷位置为中心±90度或以上，因此通过电刷与整流子的相对轴方向移动，可以连续进行正转、停止、反转的转矩或者旋转方向控制。
下面发明的整流子电动机的特征在于，在上述发明中，通过各整流子片形成的整流子的扭转为如下的形状从整流子的轴方向一端朝向另一端沿整流子的圆周方向顺时针扭转，然后沿圆周方向逆时针扭转。
根据本发明，通过电刷与整流子向往或反的一个方向的相对轴方向移动，例如，可以进行从0转矩到最大转矩再到0转矩，或者从最大转矩到0转矩再到最大转矩的连续变化的控制。
根据下面的电动钻的发明，由于内置上述发明中记载的整流子电动机来作为动力源，因此可以按照电动钻的钻孔加工的加工工序进行转矩的发生控制或者钻头的旋转控制，可以获得操作性良好的电动钻。
另外，本发明的整流子电动机中，缠绕在定子上的磁场绕组通过电刷和整流子与缠绕在转子上的转子绕组连接，磁场绕组和转子绕组与交流电源连接，上述整流子电动机的特征在于，使上述电刷构成为可以沿整流子的圆周方向转动，并且具有电刷保持单元，其用于保持电刷以使在上述交流电源接通时上述电刷位于与电角0度对应的基点位置；电刷转动驱动单元，其在上述交流电源接通后，控制上述电刷的转动位置，以使上述转子产生正转转矩和/或反转转矩。
根据本发明，通过对电刷相对于整流子的转动位置进行控制来进行转子的旋转方向的切换和转矩控制，并且，在交流电源接通时使电刷位于与电角大致0度对应的基点位置，因此，在电源接通时，磁场绕组和电枢绕组的电抗最大，这样，可以将突入电流抑制为微小值。这样，可以使装置结构简单且便宜，可以容易地应对大功率的大型机器。另外，由于电刷基本位于0度位置附近，因此电流消耗很小。并且，在本发明的电动机中，由于在电刷位于与电角大致0度对应的基点位置处接通电动机的电源，并且可以使此后的电刷位置从该基点位置逐渐地向正方向或者负方向的电角增大的方向前进(转动)，因此，可以提供与转动起动时所需要的转矩对应的所需充足的电流。因此，不仅在电源接通时，即使在转动起动时，也不会有大电流流过，从而不会有不需要的电力消耗。此时，由于不通过外部装置来进行电动机的电流限制，因此产生足够的转矩。
图1是表示本发明的整流子电动机的实施方式1的分解结构示意图；图2是作为本发明实施方式1的前提的电刷转动的原理说明图；图3是表示电刷处于各角度位置时的转子状态的示意图；图4是说明用于保持转子停止的结构的示意图；图5是说明用于保持转子停止的结构的示意图；图6是表示以实施方式1的电动机为驱动源的车辆的行驶、制动和驻车制动机构的图；图7是表示本发明实施方式2的简略结构图；图8是具有本发明实施方式2的扭转的整流子的说明图；图9是本发明实施方式2的整流子与转子绕组的展开图；图10是本发明实施方式2的原理说明图；图11是本发明实施方式2的状态说明图；图12是本发明实施方式2的转矩特性线图；图13是作为本发明具体例的电动钻的结构图；图14是本发明实施方式2的一个具体例的简略结构图；图15是本发明实施方式2的另一具体例的简略结构图；图16是表示本发明实施方式2的变形例的结构图；
图17是表示本发明实施方式3的整流子电动机的实施例的分解结构示意图；图18是电刷转动引起的转子转动的原理说明图；图19是用于说明电刷在电角为0度、电角为+90度、电角为-90度、电角为+120度时的转子的状态等的图；图20是表示实施方式3的实施例1的用于使电刷转动的机构的图；图21是表示实施方式3的实施例2的用于使电刷转动的机构的图；图22是表示实施方式3的实施例3的用于使电刷转动的机构的图；图23是表示在实施例3中使用的按压杆和前后切换杆的详细情况的图；图24是表示实施例3的变形例的用于使电刷转动的机构的图。
具体实施例方式
为了更加详细地说明本发明，参照附图对本发明进行说明。
(实施方式1)下面，参照附图对本发明的整流子电动机的优选实施方式1进行说明。
图1是表示用于说明本发明实施方式1的交流整流子电动机的分解结构示意图。交流整流子电动机具有组合了感应电动机的定子和直流电动机的转子的结构，它是交流机，同时还具有整流子和电刷。在图1的情况下，示出了磁场绕组1和转子绕组4串联连接的串绕电动机。
在图1中，具有缠绕了转子绕组4的转子铁芯5的转子6被配置成相对于具有缠绕了磁场绕组1的定子铁芯2的定子3可以自由旋转。转子6上具有整流子7和一对电刷8，整流子7和一对电刷8与转子绕组4连接。整流子7具有多个整流子片71。磁场绕组1的一端与交流电源(省略图示)连接，另一端与一个电刷8连接。另一个电刷8与交流电源连接。
这里，在图1所示的交流整流子电动机中，电刷8以规定的接触压力抵接在整流子7上，并且是可以沿整流子7的圆周方向转动(移动)的结构。即，一对电刷8被构成为可以在保持电刷彼此的位置关系的状态下沿整流子7的圆周方向转动，而与整流子7的旋转或者停止无关。
使用图2对电刷8的转动位置与发生转矩的关系进行说明。在图2中，以定子铁芯2的场磁极为N、S两极。转子铁芯5具有4根转子绕组4，该转子绕组4具有双层绕组的线圈边41，从该转子绕组4通过引出线42与4个整流子片71连接。在图2(a)中，示出了电刷8与图中左右的整流子片a、a’接触的状态(称为90度的电刷位置)，在图2(b)中，示出了电刷8与图中上下的整流子片b、b’接触的状态(称为0度的电刷位置)。因此，图2(a)与图2(b)的电刷位置为相差90度的位置关系，在两极的场磁极中，为90度的电角变化。
这里，所谓的电角0度的电刷位置对应于权利要求中所述的基点位置，是指如下的状态磁场绕组1形成的磁通与转子绕组4形成的磁通的相互角度为大致平行，并且由磁场绕组1形成的磁通所产生的磁极与由转子绕组4形成的磁通所产生的磁极处于相互吸引关系。所谓电角90度的电刷位置是指磁场绕组1形成的磁通与转子绕组4形成的磁通的相互角度为大致垂直的状态。
在这种结构中，在通过电刷8连接的转子绕组4之间，有电枢电流(转子电流)流过，结果，通过由表示线圈边41上的电枢电流的方向的二种标号(即，从附图纸面的表面朝向里面的方向的标号、和从附图纸面的里面朝向表面的方向的标号)确定的电枢电流和场磁极产生的磁通来产生转矩。
在图2(a)所示的90度的电刷位置上，构成左右两层的2根线圈边41上有方向彼此相同的电流流过，构成上下两层的2根线圈边41上有方向彼此相反的电流流过。因此，在该情况下，通过磁场磁通的磁极附近的左右线圈边41中流过的电流，在转子6上产生如箭头K所示的逆时针方向的转矩。
另一方面，在图2(b)所示的0度的电刷位置上，构成左右两层的2根线圈边41上有方向彼此相反的电流流过，构成上下两层的2根线圈边41上有方向彼此相同的电流流过。因此，在该情况下，通过磁场磁通和在磁极附近的左右线圈边41中流过的电流产生的转矩相互抵消，因而不会旋转。
这样，在图2(a)所示的90度的电刷位置上，产生旋转力，在图2(b)所示的0度的电刷位置上，不产生旋转力。另外，在电刷8处于0度位置和90度位置之间的情况下，随着电刷8靠近90度位置，旋转力增大，随着电刷8靠近0度位置，旋转力接近0。另外，实际上，在使电刷位置为90度以上的120度～150度角度位置时，在转子6上产生最大的转矩。在超过90度多大的位置上能够获得最大转矩取决于磁场绕组1的电感等。
另外，在图2中虽未图示，但是在使电刷8从图2(b)的0度状态向与图2(a)相反的逆时针方向动作、以使电刷位于-90度位置上时，在转子6上产生与箭头K相反的时针方向的旋转力。
这样，通过使电刷8的转动位置变化，可以将转子控制成无转矩状态、正转状态、或者反转状态的任一状态。即，在电刷位置0度处，在转子6上不产生旋转力，随着使电刷从0度位置转动到90度进而转动到120度和150度，正转方向的转矩增大，随着使电刷从0度位置转动到-90度进而转动到-120度和-150度，反转方向的转矩增大。
接下来，使用图3对电刷位于90度以上的规定角度(例如150度)时产生最大转矩的原因进行说明。图3(a)～图3(b)表示电刷位于各种角度位置(0度、90度、120度、-90度)上时的转子状态。
众所周知，在电动机中，电刷的电角90度是在效率上产生最大旋转转矩(以下仅称为转矩)的电角。但是，当使电刷的电角前进至超过90度时，与电角90度的情况相比，转矩进一步增大，转速上升。其原因如下。
第一原因如图3(c)所示，电角前进至超过90°使得同极性的磁极接近，即，S极对S极，N极对N极，结果，使线圈的电抗大幅度减小。即，当使电刷的电角前进至超过90度时，与该电角相关地，线圈的电抗减小(在电角为180°的情况下极小)，流过线圈的电流增大。所以，使电刷前进至超过电角90°时，虽然由于选择除90°以外的电角而使理论上的转矩效率降低，但是由于线圈的电流增大，使得转矩自身增大，导致旋转速度上升。
第二原因在电动机的低速旋转区域中未显现出来的转子线圈的电抗在高速旋转区域中是不能忽视的，随着该电抗的增大，电流延迟，实际有效磁通延迟。所以，在理论上效率最大的电角90°处，即使电刷向转子线圈提供电流，由于产生的磁通延迟，对转矩有益的实际有效磁通相当于在电角小于90°的状态下向转子线圈供电而产生的磁通。因此，转矩减小，旋转不会上升。
为了解决该问题，使电角超过90°地进行供电。这样，延迟产生的实际有效磁通与在转矩效率高的电角处向转子线圈供电的情况相同，可以防止转矩效率降低。所以，转矩增大，转速上升。
如上所述，在第二原因中，能够以使电角超前来抵消磁通的延迟的形式进行供电的从另一侧面的理由在于，通过在某种程度上确保电刷的相对于整流子的旋转方向的宽度，可以在一定时间内持续对旋转的整流子片供电。所以，其原因在于，通过以超前的电角来向转子线圈供电，能够确保延迟产生的磁通成长为实际有效磁通的时间。
另外，在实际实验的一个示例中，当电角从90°开始超前时，转速与电角成比例地上升，并且该旋转一直上升到电角150°附近。该电角超过90°旋转会上升的原因在于，受第一原因的影响较大，虽然牺牲了转矩效率，但是，因为随着由电角超前而引起的线圈的电抗大幅度减小，线圈的电流大幅度增加，所以，产生了极大的转矩。
接下来，使用图4和图5对作为本发明的主要部分的用于保持转子停止的结构，例如用于电动机车辆的驻车制动的结构进行说明。
如图4所示，电刷8(仅示出了一个电刷)通过作为电刷施力单元的按压弹簧10，以适当的摩擦阻力(接触压力)与具有多个(在该情况下为8个)整流子片71的整流子7接触。该摩擦阻力是如下程度的阻力在整流子7转动的情况下，电刷8能够与整流子7一起转动。但是，与整流子7在圆周方向上的动作有关，在止挡件12a、12b之间的可动范围内，电刷完全不受限制地自由动作。止挡件12a、12b为了使电刷8例如在150度～-150度的范围内可自由动作，这些止挡件12a、12b的位置可以改变。
在图4中涂黑部分表示的电刷位置与先前的图2(b)中所示的0度位置对应，在该状态下，转子6即整流子7停止。在使电刷8向箭头E1方向转动任意角度θ1、使电刷8位于虚线所示位置的情况下，在转子6即整流子7上产生向箭头D1所示的正转方向的转矩。同样地，在使电刷8向箭头E2方向转动任意角度θ2、使电刷8位于点划线所示位置的情况下，在转子6即整流子7上产生向箭头D2所示的反转方向的转矩。
电刷8由于通过按压弹簧10而以适当的摩擦阻力(接触压力)与整流子7接触，因此，在因外力作用而使转子6即整流子7转动的情况下，电刷8与整流子7一起转动。
例如，当整流子7通过外力而向箭头D1所示的正转方向旋转角度θ2时，电刷8也转动角度θ2而到达点划线所示的位置。当电刷8位于点划线所示的位置时，如前所述，在转子6即整流子7上产生箭头D2所示的反转方向的转矩。通过该反转方向的转矩，整流子7转动角度θ2而回到原来的位置。电刷8随着整流子7的转动而一起转动，从而恢复到原来的0度位置。
另一方面，在整流子7因外力而向箭头D2所示的反转方向转动角度θ1时，电刷8也转动角度θ1而到达虚线所示的位置。当电刷8位于虚线所示的位置时，如前所述，在转子6即整流子7上产生箭头D1所示的正转方向的转矩。通过该正转方向的转矩，整流子7转动角度θ1而回到原来的位置。电刷8随着整流子7的转动而一起转动，从而恢复到原来的0度位置。以上是保持转子停止的结构的原理。
接下来，使用图5，从其它角度对上述的用于保持停止的结构进行说明。
通过对磁场绕组1通电，使定子3产生磁通，同样地，通过对转子绕组4通电使转子6产生电磁铁。在电刷位置为0度的情况下，如图5(a)所示，由定子3和转子6构成的磁路保持在稳定的吸引状态。此时，为了磁路的稳定的吸引状态，产生转矩的电流值极小。
但是，如图5(b)、(c)所示，当电刷处于正转或反转的某位置时，磁路断开，场磁极与电磁铁互相牵引，由此使得电刷返回到0度位置的稳定状态。此时，有与磁路的磁隙对应的电流流过，并产生与该电流对应的转矩。
接下来，使用图6对以本发明的电动机作为驱动源的车辆的行驶、制动和驻车制动机构进行说明。
在图6中，电刷8通过按压弹簧10与具有多个整流子片71的整流子7以可以与整流子7一起转动的摩擦阻力接触。
图6中所示的电刷位置与先前的图2(b)中所示的0度位置对应，在该电刷位置处，转子不产生转矩。电刷8通过未图示的适当的机构与油门踏板14和制动踏板13连接。电刷8可以根据油门踏板14的踏入量从0度的电刷位置转动到与止挡件12a抵接的90度的电刷位置。在该90度的电刷位置处，可以获得该情况的最大驱动转矩。
另外，电刷8可以根据制动踏板13的踏入量从0度的电刷位置转动到与止挡件12b抵接的-90度的电刷位置。在-90度的电刷位置处，可以获得该情况的最大制动转矩。另外，在图6中，在±90度的电刷位置上具有止挡件12a、12b，但是如前所述，也可以在能够获得实际最大转矩的90度～150度、-90度～-150度的位置上具有止挡件12a、12b。
例如在电刷8与止挡件12a之间和在电刷8与止挡件12b之间设置恢复弹簧11a、11b，以使在车辆行驶过程中解除油门踏板14的操作时，或者在车辆制动过程中解除制动踏板13的操作时，电刷8能够恢复到0度位置。但是，在车辆停止并使驻车制动器动作时，该恢复弹簧11a、11b的功能被解除，不再作为恢复弹簧来发挥功能。即，在使驻车制动器动作时，恢复弹簧11a、11b不发挥功能，电刷8可以沿整流子7的圆周方向在止挡件12a、12b之间自由移动。当使驻车制动器动作时，如前所述，电刷8只是通过按压弹簧10以可以与整流子7一起转动的摩擦阻力与整流子7接触。
在该图6所示的结构中，通过电动机的电源接通，电刷8位于0度的角度位置(基点位置)。通过油门踏板14的操作，使电刷8转动与止挡件12a抵接的位置之间的任意角度，这样，在转子6上产生与电刷角度对应的向箭头D1方向的驱动转矩，从而使车辆行驶。
在车辆行驶状态下，在解除了油门踏板14的踏入的情况下，电刷8通过恢复弹簧11a的力而恢复到0度的角度位置(基点位置)。在该基点位置处，由于在转子6上不产生转矩，因此车辆处于惯性运转状态。
在车辆行驶过程中，在解除了油门踏板14的踏入后，通过制动踏板13的操作，使电刷8从0度位置转动与止挡件12b抵接的位置之间的任意角度，这样，在转子6上产生与电刷角度对应的向箭头D2方向的制动转矩，从而使车辆减速或停止。
在车辆停止后，当在车辆中启动驻车制动器时，如前所述，解除了恢复弹簧11a、11b的功能，使电刷8可以在止挡件12a、12b之间沿整流子7的圆周方向自由移动。即，在使驻车制动器动作时，电刷8只是通过按压弹簧10以可以与整流子7一起转动的摩擦阻力与整流子7接触。
这样，如果以车辆停止时电刷位置为0度位置，并使电刷8相对转子6自由动作，则如前面使用图4进行的说明那样，即使施加外力使转子6向正转方向和反转方向的任一方旋转，通过电刷8与转子6一起转动，也可以使与旋转方向相反的方向的转矩作用于转子6上。所以，转子6和电刷8一起恢复到原来的位置。
例如，当在下坡道启动驻车制动器时，通过外力向箭头D1方向的正转转矩始终作用于转子6上，这样，转子6也向箭头D1方向转动。电刷8也与该转子6的旋转一起向箭头D1方向转动。并且，电刷8转动到能够产生与外力形成的正转转矩平衡的反转转矩(制动转矩)的电刷角度位置，电刷8在该角度位置停止。这样，即使在坡道上也能够将转子保持在停止状态。
这样，根据本实施方式1，由于只对电刷8赋予规定的接触压力以产生电刷8与整流子7一起转动的摩擦力，来保持转子的停止状态，因此，不需要机械的锁定机构或者伺服控制电路，从而可以使装置结构简单且便宜。另外，由于不需要伺服机构，因此能够容易地对应大功率的大型机器。而且，由于电刷基本上位于0度位置附近，因此，电流消耗少。
另外，在上述实施方式1中，对串绕的电动机进行了说明，但是本发明也可以适用于磁场绕组1和转子绕组4并联连接的并绕电动机。另外，在上述实施方式中，对使电刷绕整流子的周围转动的情况进行了说明，但是，代替电刷，通过使构成场磁极的定子绕转子的周围转动，也能够进行同样的电动机的驱动控制。
(实施方式2)(实施方式2的整流子电动机的结构)图7表示本发明实施方式2的整流子电动机的简略结构图，这里，使用具有两极的场磁极的串绕电动机的分解图。在实施方式2的整流子电动机中，具有缠绕了转子绕组4的转子铁芯5的转子6被配置成相对于具有缠绕了定子绕组(磁场绕组)1的定子铁芯2的定子3可以自由旋转。
在转子6上具有整流子7，其与转子绕组4连接，并可以与转子6一体地转动；一对电刷8，其以规定的压力与该整流子7接触。定子绕组1的一端与商用交流电源(图示省略)连接，另一端与连接在整流子7和转子绕组4上的一个电刷8连接，与一个电刷8成对的另一个电刷8与交流电源连接。即，在图7中，定子绕组1与转子绕组4形成串绕绕组。
另外，构成整流子7的各整流子片71被配置成在轴方向具有扭转。换言之，实施方式2的整流子7的结构为将在轴方向具有扭转的整流子片71排列成筒状。
另一方面，电刷8构成为与整流子7接触，并且可以沿整流子7的轴方向移动。换言之，本实施方式的电刷8被配置成在圆周方向的相同位置处可以沿轴方向移动。
(整流子片的扭转角和电刷的轴方向移动的关系)这里，参照图8对整流子片71相对于整流子7的轴方向的扭转角度进行说明。在实施方式2中，整流子片71的扭转角度形成为如下的角度在使电刷8沿轴方向移动时，电刷8逐个替换(转换)地与多个整流子片71接触。
图8(a)和(b)例示了该扭转角度的状态，示出了整流子7的排列成筒状的4个整流子片71的表面图、背面图以及展开图。在图8中，示出了向斜右上方扭转的A、B、C、D4个整流子片71。
另外，如图8(b)的箭头所示，在电刷8从整流子7的左端沿轴方向移动到右端时，电刷8构成为可以依次转换到3个整流子片71上。这里，在使电刷8沿轴方向移动的情况下，随着电刷8沿轴方向的移动，电刷8按顺序与图8(b)所示的整流子片D、A、B接触。
此时，由于是各个整流子片71与转子绕组4的各单位绕组分别连接的结构，因此电刷8在邻接的整流子片71上移动表示电刷8与各单位绕组的连接逐个改变。即，通过电刷8在整流子7上沿轴方向移动，电刷8变化成逐个与转子绕组4的邻接的单位绕组连接。
图9是表示N极、S极两极的场磁极、由16个单位绕组(模绕线圈)构成的转子绕组4、以及具有扭转的整流子片71的连接状态的展开图。另外，场磁极数量、转子绕组数量和扭转角度只是一例，并不特别限定。在图9中，针对1个场磁极N或S极，对应配置有大约8个线圈边41(若1个槽包括双层绕组，则为16个)，具有该8个(若是双层绕组则为16个)线圈边41的转子绕组4与8个整流子片71连接。
扭转角度为通过电刷8的轴方向移动而与4个整流子片71转换接触的角度。通过该电刷8在4个整流子片71上的转换是在16个整流子片71的1/4部分上的转换，其给电角带来90度的变化。即，通过电刷8的轴方向的移动，整流子片71和与其连接的转子绕组4的连接依次改变，对应于该改变，相应的电角也发生变化。
如上所述，图7所示的实施方式2的整流子电动机的结构使整流子片71在轴方向上具有扭转，另一方面，使电刷8可以沿轴方向移动，通过电刷8的移动而使电刷8与邻接的转子绕组4逐个连接，从而得到产生电角变化的结果。
(电刷的移动引起的电角的变化与整流子电动机的发生转矩的关系)
接下来，对电角的变化和发生转矩的关系进行说明。如上所述，根据电刷8的移动，电刷8接触的整流子片71改变。由此，电刷8与邻接的转子绕组4逐个连接，引起电角的变化。这样，电刷8在具有扭转的整流子片71上沿轴方向移动，与置换成不带扭转的直线状的整流子片的情况下的、使电刷8沿整流子的圆周方向转动是等效的。
这里，参照图10，以与本实施方式2具有等效关系的如下结构为例，对电角的变化和发生转矩进行说明，上述等效结构为置换成不带扭转的直线状的整流子片，并且使电刷8沿整流子的圆周方向转动的结构。在图10中，例示了这样的结构以定子铁芯2的场磁极为N、S极，在转子铁芯5上具有4根转子绕组4，该转子绕组4具有双层绕组的线圈边41，从该转子绕组4通过引出线42与4个整流子片71连接。
另外，在图10(a)中，示出了电刷8与图中左右的整流子片a、a’接触的状态(称为90度位置的电刷位置)，在图10(b)中，示出了电刷8与图中上下的整流子片b、b’接触的状态(称为0度位置的电刷位置)。因此，图10(a)与图10(b)的电刷位置为相互转动了90度的位置关系，在两极的场磁极中，为90度的电角变化。
电枢电流(转子电流)在通过电刷8连接的转子绕组4之间流过，结果，由图10中所表示的二种标号(即，从附图纸面的表面朝向里面的方向的标号、和从附图纸面的里面朝向表面的方向的标号)确定的在线圈边41上的电枢电流通过场磁极来切割磁通，从而产生转矩。
在该情况下，在图10(a)所示的90度位置上，左右各2根的线圈边41上有方向彼此相同的电流流过，在上下各2根的线圈边41上有方向彼此相反的电流流过。因此，通过磁场磁通和在磁极附近的左右线圈边41中流过的电流，在转子6上产生逆时针方向的转矩。
另一方面，在图10(b)所示的0度位置上，左右各2根的线圈边41上有方向彼此相反的电流流过，在上下各2根的线圈边41上有方向彼此相同的电流流过。因此，通过磁场磁通和在磁极附近的左右线圈边41中流过的电流产生的转矩相互抵消，因而不会旋转。
所以，在图10(a)所示的电刷8的90度位置上，产生作为旋转力的转矩，在图10(b)所示的0度位置上，不产生作为旋转力的转矩。另外，在图10(a)中，在电刷8和转子绕组4中有交流电流流过，但是，由于该交流电流还是磁场电流，并且具有转子绕组4的线圈边41的电流方向与磁极(磁通的方向)始终相同的关系，因此即使有交流电流流过，所产生的转矩的方向也是始终相同。
另外，在电刷8处于0度位置和90度位置中间的情况下，随着靠近90度位置，转矩增大，随着靠近0度位置，转矩接近0。在图10中，虽然在两极的场磁极中例示了4个转子绕组4和4个整流子片71，但是并不特别限定于此。
例如，在具有多个转子绕组4的单位绕组和整流子片71的情况下，当使电刷8从0度渐渐转动到90度(或者从0度转动到-90度)时，切割磁通的转子绕组4渐渐变多且变大，因此，产生的转矩逐渐变大。另外，在使电刷8从90度(或者负90度)渐渐转动到0度的情况下，切割磁通的转子绕组4逐渐变少并且变小，因此，所产生的转矩逐渐变小。
结果，图10(a)、(b)所示的电刷8的旋转相当于电刷8在具有前述的图8、图9所示的扭转的整流子7上的轴方向移动，因此，根据该电刷8的轴方向移动位置，转子6的转矩变成0或变大。
在将具有扭转的整流子7的轴方向上的电刷位置变换成电刷转动而位于图10(b)所示的0度位置时，在转子6上不产生转矩。当使电刷8从该位置沿轴方向移动时，换言之，在使电刷8从图10(b)向图10(a)那样沿顺时针方向转动到90度位置时，在转子6上产生逆时针方向的转矩。
另外，在图10中没有图示，但是在使电刷8从图10(b)的状态向与图10(a)相反的逆时针方向转动，换言之，当使电刷8位于负90度位置时，在转子6上产生顺时针方向的转矩。即，根据电刷8在轴方向的移动位置，在0度位置处转子6停止，在90度位置处转子6正转(向逆时针方向旋转)，在负90度位置处转子反转(向顺时针方向旋转)。
图11用于说明在本实施方式2中的具有扭转的整流子7上的电刷位置与转子的旋转方向的关系，以及与此相关联的定子绕组和转子绕组的电抗与转子的旋转转矩的关系。
图11(a-1)在上图中表示电刷位置电角0°，在下图中表示电抗最大的状态。另外，在该情况下，在转子上不产生旋转转矩。
图11(a-2)使用变压器示意性地示出前述电角0°的状态。在该情况下，电抗为最大。
图11(b-1)在上图中表示电刷位置电角90°，在下图中表示电抗最小的状态。另外，在该情况下，在转子上产生旋转转矩。
图11(b-2)在上图中表示电刷位置电角超过90°，在下图中表示电抗比(b-1)的情况更小的状态。另外，在该情况下，转子上产生比(b-1)的情况更强的旋转转矩。
图11(b-3)使用变压器示意性地示出电角180°的状态。在该情况下，电抗为最小。
图11(c)在上图中表示电刷位置电角负90°，在下图中表示电抗变小的状态。另外，在该情况下，在转子上产生与(b-1)的情况相反的旋转转矩。
从图11可知，根据电刷沿本实施方式2的具有扭转的整流子7的轴方向的移动位置，可以进行包括由正转和反转构成的旋转方向的大范围的转矩控制。
图12表示针对与图11对应的电刷位置在转子6上产生的转矩大小。如图所示，以电刷位置0°为中心，随着达到±90°，转矩成比例增大。
在图10、图12中，限定了电刷的电角为0°和90°(负90°也一样)时的说明。
但是，在电动机中，众所周知的是电刷的电角90°是在效率上产生最大旋转转矩(以下简称为转矩)的电角。
但是，当电刷的电角前进至超过90°时，与电角90°的情况相比，转矩进一步增大，转速进一步上升。其原因如下。
第一原因如图11(b-2)所示，电角前进至超过90°使同极性的磁极接近，即，S极对S极，N极对N极，结果，使线圈的电抗大幅度减小。该现象是电角为180°的示例，但是，其与反连接图11(b-3)的线圈的变压器相类似。
如上所述，当电刷的电角前进至超过90度时，与该电角相关地，线圈的电抗减小(在电角为180度的情况下极小)，流过线圈的电流增大。
所以，使电刷前进至超过电角90°时，虽然由于选择除90°以外的电角而使理论上的转矩效率降低，但是由于线圈的电流增大，使得转矩自身增大，旋转速度上升。
第二原因在电动机的低速旋转区域中未显现出来的转子线圈的电抗在高速旋转区域中是不能忽视的，随着该电抗的增大，电流延迟，实际有效磁通延迟。
在理论上效率最大的电角90°处，即使电刷向转子线圈提供电流，由于产生的磁通延迟，所以对转矩有益的实际有效磁通相当于在电角小于90°的状态下向转子线圈供电而产生的磁通。因此，转矩减小，旋转不会上升。
为了解决该问题，使电角超过90度地进行供电。这样，延迟产生的实际有效磁通与在转矩效率高的电角处向转子线圈供电的情况相同，可以防止转矩效率降低。所以，转矩增大，转速上升。
如上所述，在第二原因中，能够以使电角超前来抵消磁通的延迟的形式进行供电的从另一侧面的理由在于，通过在某种程度上确保电刷的相对于整流子的旋转方向的宽度，可以在一定时间内持续对旋转的整流子片供电。所以，其原因在于，通过以超前的电角来向转子线圈供电，能够确保延迟产生的磁通成长为实际有效磁通的时间。
另外，在实际实验的一个示例中，当电角从90°开始超前时，转速与电角成比例地上升，并且旋转一直上升到电角150°附近。
该电角超过90°旋转会上升的原因在于，受第一原因的影响较大，虽然牺牲了转矩效率，但是，因为随着由电角超前而引起的线圈的电抗大幅度减小，线圈的电流大幅度增加，所以，产生了极大的转矩。
(提供了本实施方式2的整流子电动机的电动钻)
图13示出使用了本实施方式2的整流子电动机的电动钻的示例，该电动钻包括安装有钻头110的夹头111；与夹头111连接的减速器112；电动机主体113；设有扭转的整流子7，以及电刷8。除了电刷8以外，钻头110、夹头111、减速器112、电动机主体113、整流子7作为一个整体沿轴方向移动。
在上述结构中，例如，如果将钻头110按压到工件(图示省略)上，则相对于固定的电刷8，处于基准位置(0度位置)的整流子7向一个方向相对移动，使得电动机主体113的转子开始旋转(正转)。另外，当对工件的钻孔加工结束时，负荷消失，整流子7和电刷8返回到原来的位置(旋转前的停止位置)，转子的旋转停止。然后，通过向拔出钻头110的方向对其进行拉引，使整流子7相对于电刷8向相反的方向相对移动，转子开始反转。通过进行这种利用，可以响应电动钻的拉压动作，使钻孔旋转的驱动和通过反转而将钻头110拔出的驱动自动化。
接下来，参照图14和图15对整流子7相对于电刷8相对移动的结果进行具体说明。与图13一样，图14示出了固定电刷8而使整流子7移动的示例，与整流子7接触的电刷8处于固定状态，在转子6的轴114的一端具有用于确定电刷8相对于整流子7的中立位置的弹簧115，另一方面，在轴114的另一端即整流子7的一端具有用于动力传递的齿轮116，轴端构成轴承117。
另一方面，与夹头111连接的轴118上具有齿轮119，轴端构成轴承117。齿轮116与齿轮119之间通过齿轮120和121连接。即，轴114和轴118可以通过轴承117分别旋转，但是轴118和轴114可同时沿轴方向移动。这样，电动机的旋转驱动力传递给齿轮116、120、121、119，使得轴118和夹头111旋转，同时夹头111、轴118、轴114成为一体，可以沿轴方向移动，从而可以改变电刷8相对于整流子7的相对位置。另外，齿轮116、120、121、119根据它们的齿轮比，在这里发挥减速器的功能。
图15示出了固定整流子7的位置、使电刷8沿轴方向移动的示例，转子6、整流子7、齿轮116同时旋转，处于固定配置状态，另一方面，与夹头111连接的轴118的另一端具有弹簧115，该弹簧115用于确定电刷8相对于整流子7的中立位置。在轴118上具有与齿轮116啮合的齿轮119和用于使电刷8沿轴方向移动的支承部件122。在该结构中，电动机的旋转驱动力传递给齿轮116、119，使得轴118和夹头111旋转，同时，夹头111、轴118可以沿轴方向移动，从而可以使电刷8相对于整流子7的相对位置变化。另外，由于随着电刷8沿轴方向移动，齿轮119在齿轮116上移动，因此，需要具有长度与其移动量相称的齿轮116。
从图14、图15可知，由于电刷8和整流子7可以沿轴方向相对移动，从而可以进行转矩控制。所以，如图14所示，固定电刷8、使整流子7沿轴方向移动，或者如图15所示，将整流子7在轴方向上置于固定状态，使电刷8沿轴方向移动，此外，还可以通过使电刷8和整流子7两者均可沿轴方向移动，来进行转矩控制。
此前的说明使整流子片71的扭转方法为朝向一个方向，例如在图8、图9的示例中，对向右上方向的整流子7进行了说明。如图16所示，在本发明中也可以应用于将整流子片71的扭转设置成向顺时针方向和逆时针方向那样的不同方向的结构。
在图16例示的结构中，以整流子7的轴方向中央为电刷位置90度(也可以是120度、150度)，以轴方向两端为电刷位置0度，例如，随着使电刷8从整流子左端向右移动，逐渐产生转矩，在轴方向中央处产生最大转矩，随着使电刷8进一步向右移动转矩减小，在整流子右端转矩为0。另外，作为其它的示例，也可以使在轴方向中央处转矩为0，随着使电刷8进一步向左右移动，转矩增大，在整流子的左右端，转矩为最大。
另外，在前述的说明中，根据图7的结构以串绕电动机为前提，但是同样也可以应用于使定子绕组1与电刷8、整流子7、以及转子绕组4相对于交流电源并联连接的电动机，即所谓的并绕电动机。
(实施方式3)(实施例1)图17表示本发明实施方式3的交流整流子电动机的分解结构示意图。交流整流子电动机具有组合了感应电动机的定子和直流电动机的转子的结构，它是交流机，同时还具有整流子和电刷。图17示出了磁场绕组1和转子绕组4串联连接的串绕电动机。
在图17中，具有缠绕了转子绕组4的转子铁芯5的转子6被配置成相对于具有缠绕了磁场绕组1的定子铁芯2的定子3可以自由旋转。在转子6上具有整流子7和一对电刷8，整流子7和一对电刷8与转子绕组4电连接。整流子7具有多个整流子片71。磁场绕组1的一端与交流电源(省略图示)连接，另一端与一个电刷8连接。另一个电刷8与交流电源连接。在交流电源路径中设置有针对本交流整流子电动机的电源开关9。
这里，在图17所示的交流整流子电动机中，电刷8是可以沿整流子7的圆周方向转动(移动)的结构。即，一对电刷8可以在保持电刷彼此的位置关系的状态下，沿整流子7的圆周方向转动，而与整流子7的旋转或者停止无关。
使用图18对电刷8的转动位置与发生转矩的关系进行说明。在图18中，以固定铁芯2的场磁极为N、S两极。在转子铁芯5上具有4根转子绕组4，该转子绕组4具有双层绕组的线圈边272，从该转子绕组4通过引出线273与4个整流子片71连接。在图18(a)中，示出了电刷8与图中左右的整流子片a、a’接触的状态(称为90度的电刷位置)，在图18(b)中，示出了电刷8与图中上下的整流子片b、b’接触的状态(称为0度的电刷位置)。因此，图18(a)与图18(b)中的电刷位置为相差90度的位置关系，在两极的场磁极中，为90度的电角变化。
这里，所谓的电角0度的电刷位置对应于权利要求中所述的基点位置，是指如下的状态磁场绕组1形成的磁通与转子绕组4形成的磁通的相互角度为大致平行，并且由磁场绕组1形成的磁通所产生的磁极与由转子绕组4形成的磁通所产生的磁极处于相互吸引关系。电角90度的电刷位置是指磁场绕组1形成的磁通与转子绕组4形成的磁通的相互角度为大致垂直的状态。
在该结构中，在通过电刷8连接的转子绕组4之间，有电枢电流(转子电流)流过，结果，通过由表示在线圈边272上的电枢电流的方向的二种标号(即，从附图纸面的表面朝向里面的方向的标号、和从附图纸面的里面朝向表面的方向的标号)确定的电枢电流与场磁极产生的磁通而产生转矩。
在图18(a)所示的90度的电刷位置上，构成左右两层的2根线圈边272上有方向彼此相同的电流流过，构成上下两层的2根线圈边272上有方向彼此相反的电流流过。因此，在该情况下，通过磁场磁通的磁极附近的左右线圈边272中流过的电流，在转子6上产生如箭头K所示的逆时针方向的转矩。
另一方面，在图18(b)所示的0度的电刷位置上，构成左右两层的2根线圈边272上有方向彼此相反的电流流过，构成上下两层的2根线圈边272上有方向彼此相同的电流流过。因此，在该情况下，通过磁场磁通和在磁极附近的左右线圈边272上流过的电流产生的转矩相互抵消，因而不会旋转。
这样，在图18(a)所示的90度的电刷位置上，产生旋转力，在图18(b)所示的0度的电刷位置上，不产生旋转力。另外，在电刷8处于0度位置和90度位置之间的情况下，随着电刷8靠近90度位置，旋转力增大，随着电刷8靠近0度位置，旋转力接近0。另外，实际上，在使电刷位置为90度以上的120度～150度的角度位置时，在转子6上产生最大转矩。在超过90度多大的位置上能够获得最大转矩取决于磁场绕组1的电感等。
另外，在图18中虽未图示，但是在使电刷8从图18(b)所示的0度状态向与图18(a)相反的逆时针方向动作、以使电刷位于-90度位置上时，在转子6上产生与箭头K相反的顺时针方向的旋转力。
这样，通过使电刷8的转动位置变化，可以将转子控制成无转矩的状态、正转状态、或者反转状态的任一状态。即，在电刷位置0度处，在转子6上不产生旋转力，随着使电刷从0度位置转动到90度进而转动到120度和150度，正转方向的转矩增大，随着使电刷从0度位置转动到-90度进而转动到-120度和-150度，反转方向的转矩增大。
图19用于说明电刷位置与转子的旋转方向的关系、以及与此相关联的定子绕组和转子绕组的电抗与转子的旋转转矩、激励电流的关系。
通过对磁场绕组1通电，定子3产生磁通，同样地，通过对转子绕组4通电，转子6产生电磁铁。如图19(a)所示，在电刷8位于电角0度的情况下，由定子3和转子6构成的磁路保持在稳定的吸引状态。此时，电抗最大，产生转矩的激励电流值极小，转子上不产生旋转转矩。
但是，如图19(b)或图19(c)所示，例如，当电刷8处于电角90度或者-90度的情况下，磁路断开，场磁极与电磁铁互相牵引。此时，电抗减小，有与磁路的磁隙对应的激励电流流过，并产生与该激励电流对应的转矩。
但是，众所周知，在电动机中，电刷的电角90°是在效率上产生最大转矩的电角。但是，例如如图19(d)所示，当使电刷的电角前进至超过90°时，与电角90°的情况相比，转矩进一步增大，转速上升。该原因如下。
第一原因如图19(d)所示，电角前进至超过90°使同极性的磁极接近，即，S极对S极，N极对N极，结果，使线圈的电抗大幅度减小。即，当使电刷的电角前进至超过90°时，与该电角相关地，线圈的电抗减小(在电角为180°的情况下极小)，流过线圈的电流增大。所以，使电刷前进至超过电角90°时，虽然由于选择除90°以外的电角而使理论上的转矩效率降低，但是由于线圈的电流增大，使得转矩自身增大，旋转速度上升。
第二原因在电动机的低速旋转区域中未表现出来的转子线圈的电抗在高速旋转区域中是不能忽视的，随着该电抗的增大，电流延迟，实际有效磁通延迟。所以，在理论上效率最大的电角90°处，即使电刷向转子线圈提供电流，由于产生的磁通延迟，所以对转矩有益的实际有效磁通相当于在电角小于90°的状态下向转子线圈供电而产生的磁通。因此，转矩减小，旋转不会上升。
为了解决该问题，使电角超过90度地进行供电。这样，延迟产生的实际有效磁通与在转矩效率高的电角处向转子线圈供电的情况相同，可以防止转矩效率降低。所以，转矩增大，转速上升。
如上所述，在第二原因中，能够以使电角超前来抵消磁通的延迟的形式进行供电的从另一侧面的理由在于，通过在某种程度上确保电刷的相对于整流子的旋转方向的宽度，可以在一定时间内持续对旋转的整流子片供电。所以，其原因在于，通过以超前的电角来对转子线圈进行供电，能够确保延迟产生的磁通成长为实际有效磁通的时间。
另外，在实际实验的一个示例中，当电角从90°开始超前时，转速与电角成比例地上升，并且旋转一直上升到电角150°附近。该电角超前90°旋转会上升的原因在于，受第一原因的影响较大，即使牺牲了转矩效率，但是，因为随着由电角超前而引起的线圈的电抗大幅度减小，线圈的电流大幅度增加，所以，产生了极大的转矩。
接下来，使用图20对作为本发明的主要部分的用于电刷8的转动定位的结构的实施例1进行说明。
如图20所示，一对电刷8、8由电刷支承体210支承。电刷支承体210的结构为可以沿整流子7的圆周方向转动，通过电刷支承体210的转动，电刷8沿整流子7的圆周方向转动。标号211为该整流子电动机的旋转轴。
图20中涂黑的部分表示的电刷位置与先前的图18(b)中所示的0度位置对应，在该状态下，转子6即整流子7停止。当通过使电刷支承体210沿箭头S1方向转动使右侧的电刷8位于例如电角90°(用标号Ca表示)时(此时左侧的电刷8位于标号Cb所示的位置)，整流子7即转子6上产生与电刷角度对应的箭头D1表示的正转方向的驱动转矩，可以使转子6向D1方向正转。另一方面，当通过使电刷支承体210向箭头S2方向转动使右侧的电刷8位于例如电角-90°(用标号Cb表示)时(此时左侧的电刷8位于用标号Ca表示的位置)，在整流子7即转子6上产生与电刷角度对应的箭头D2表示的反转方向的驱动转矩，可以使转子6向D2方向反转。
在电刷支承体210的外周形成有多个齿，在该电刷支承体210的外周与齿轮212连接。齿轮212固定在作为可以正反转的电刷驱动用电动机的伺服电动机213的旋转轴214上。伺服电动机213通过与该整流子电动机的电源开关9(参照图17)不同的电源开关而起动，在该整流子电动机的电源开关9接通的时刻，伺服电动机213已经起动。此时，伺服电动机213被控制成使电刷8位于与电角0度对应的基点位置上。即，在实施例1中，通过与该整流子电动机不同的电动机213来将电刷8的转动位置从基点位置(电角0°)控制到正负任意的电角度位置。
这里，如前所述，在电源开关9接通的该整流子电动机的电源接通时的初始状态，伺服电动机213已经起动，通过由该伺服电动机213进行的控制来定位电刷支承体210的转动位置，以使在电源开关9接通的时刻电刷8保持在图20中涂黑部分表示的电角0°位置。因此，此时，如使用前面的图19(a)所说明的那样，定子绕组和转子绕组的电抗最大，励磁电流的值为极小值。所以，可以将起动时的突入电流抑制为极小值。
并且，在电源开关9接通后，通过利用伺服电动机213来旋转驱动电刷支承体210，将电刷8的转动位置从基点位置(电角0°)控制到正负任意的电角度位置，这样，在转子6上产生与电刷角度位置对应的正转或反转转矩，以执行该整流子电动机的速度控制。
这样，在实施例1中，由于在整流子电动机的电源接通时的初始状态下，通过利用其它电动机的控制，将电刷8保持在电角0°位置，因此，可以将电源接通时的突入电流抑制为极小值。
另外，从电动机213向电刷支承体210传递旋转的机构是任意的，例如，也可以采用不使用齿轮而利用摩擦的机构。另外，也可以不使用可以正反转的伺服电动机，而在电动机213和电刷支承体210之间插入适当的正反转切换机构。
(实施例2)接下来，使用图21对本发明实施方式3的整流子电动机的实施例2进行说明。在实施例2中，将本发明的整流子电动机应用于汽车的油门机构。
在实施例2中，一对电刷8也由电刷支承体210支承。电刷支承体210是可以沿整流子7的圆周方向转动的结构，通过电刷支承体210的转动，电刷8沿整流子7的圆周方向转动。另外，图21中涂黑部分表示的电刷位置与先前的图18(b)中所示的电角0度位置对应，在该状态下，转子6即整流子7停止。当通过使电刷支承体210向箭头S1方向转动而使电刷8位于适当的电角θ时，可以使转子6向箭头D1方向正转。另一方面，当通过使电刷支承体210向箭头S2方向转动而使电刷8位于电角-θ时，可以使转子6向箭头D2方向反转。
电刷支承体210与作为弹性部件的一对弹簧215连接，通过这些弹簧215的作用力，在不施加外力的状态下，电刷8保持在电角0°位置。所以，在电源接通时的初始状态下，电刷8保持在电角0°位置，从而可以将电源接通时的突入电流抑制为极小值。
接下来，对用于使电刷支承体210克服弹簧215的保持力而转动的结构进行说明。在电刷支承体210上固定有前进杆220a和后退杆220b，并使它们向电刷支承体210的例如连线方向延伸。所以，当对前进杆220a向其延伸方向(箭头E方向)施加外力时，电刷支承体210(电刷8)向箭头S1方向转动，这样，可以使整流子7向箭头D1方向正转(与前进对应)。另外，当对后退杆220b向箭头E方向施加外力时，电刷支承体210(电刷8)向箭头S2方向转动，这样，可以使整流子7向箭头D2方向反转(与后退对应)。
在前进杆220a和后退杆220b的各个端部设置有用于承受按压杆221的按压力的板222。按压杆221通过旋转轴224与油门连接杆223连接，按压杆221和油门连接杆223可以一体地向箭头Fa、Fb所示的方向移动。油门连接杆223通过未图示的适当机构与油门踏板230连接。在按压杆221上固定有前后切换杆225。前后切换杆225与汽车的前进后退齿轮切换装置联动，并可以向箭头Ra、Rb所示的方向移动。
在这种结构中，当未图示的前进后退齿轮位于中立位置时，按压杆221位于用实线所表示的位置。当前进后退齿轮被齿轮切换到前进侧时，前后切换杆225向Ra方向移动，这样，按压杆221以旋转轴224为支点，转动到与前进杆220a的板222正对的位置上。在该状态下，当踩踏油门踏板230时，油门连接杆223和按压杆221在弯曲的状态下向箭头Fa所示的方向移动。通过该移动，按压杆221按压前进杆220a的板222，结果，使电刷支承体210即电刷8向箭头S1方向转动直到与油门踏板230的踏入量对应的位置。所以，在整流子7和转子6上产生与电刷角度位置对应的正转转矩，使转子6向箭头D1所示方向正转，从而使汽车前进。
另一方面，当前进后退齿轮被齿轮切换到后退侧时，前后切换杆225向Rb方向移动，这样，按压杆221以旋转轴224为支点转动到与后退杆220b的板222正对的位置上。当踩踏油门踏板230时，油门连接杆223和按压杆221在弯曲的状态下向箭头Fa所示的方向移动。通过该移动，按压杆221按压后退杆220b的板222，结果，使电刷支承体210即电刷8向箭头S2方向转动直到与油门踏板的踏入量对应的位置。所以，在整流子7和转子6上产生与电刷角度位置对应的反转转矩，使转子6向箭头D2所示的方向反转，从而使汽车后退。
这样，在实施例2中，在整流子电动机的电源接通时的初始状态下，由于通过弹簧215使电刷8保持在电角0°位置，因此，可以将电源接通时的突入电流抑制为极小值。
(实施例3)接下来，使用图22和图23对本发明实施方式3的整流子电动机的实施例3进行说明。在实施例3中，采用了其它结构作为用于使电刷支承体210克服弹簧215的保持力而转动的结构。除此之外的结构与图21中所表示的实施例2相同，省略其重复说明。
从动轮240固定在与电刷支承体210相同的轴上。因此，如果从动轮240转动，则电刷支承体210(电刷8)转动。从动轮240通过环形带241与驱动轮242连接。
按压杆243通过旋转轴244与油门连接杆245连接，按压杆243和油门连接杆245构成为可以一体地沿箭头Fa、Fb所表示的方向移动。油门连接杆245通过未图示的适当机构与油门踏板230连接。如图23所示，按压杆243贯穿插入形成于前后切换杆246上的孔247。与前述一样，前后切换杆246可以与汽车的前进后退齿轮切换装置联动地向箭头Ra、Rb所示的方向移动。
在该结构中，当未图示的前进后退齿轮位于中立位置时，按压杆243位于图22中所示的位置。当前进后退齿轮被齿轮切换到前进侧时，前后切换杆225向Ra方向移动，这样，按压杆243以旋转轴244为支点向Ra方向移动。当踩踏油门踏板230时，油门连接杆245和按压杆243在弯曲的状态下向箭头Fa所示的方向移动。通过该移动，按压杆243按压驱动轮242的外周，结果，该驱动轮242向箭头S1所示的方向转动。这样，从动轮240向箭头S1方向转动，电刷支承体210即电刷8也向箭头S1方向转动直到与油门踏板230的踏入量对应的位置。所以，在整流子7和转子6上产生与电刷角度位置对应的正转转矩，转子6向箭头D1所示的方向正转，从而使得汽车前进。
另一方面，当前进后退齿轮被齿轮切换到后退侧时，前后切换杆225向Rb方向移动，这样，按压杆243以旋转轴244为支点向Rb方向转动。当踩踏油门踏板230时，油门连接杆245和按压杆243在弯曲的状态下向箭头Fa所示方向移动。通过该移动，按压杆243按压驱动轮242的外周，结果，驱动轮242向箭头S2所示的方向转动。这样，从动轮240向箭头S2方向转动，电刷支承体210即电刷8也向箭头S2方向转动直到与油门踏板230的踏入量对应的位置。所以，在整流子7和转子6上产生与电刷角度位置对应的反转转矩，转子6向箭头D2所示的方向反转，从而使汽车后退。
这样，在实施例3中，在整流子电动机的电源接通时的初始状态下，通过弹簧215将电刷8保持在电角0°位置，因此可以将电源接通时的突入电流抑制为极小值。
图24是图22中所示的实施例3的变形，与电刷支承体210固定在相同轴上的从动轮240为齿轮。另外，使从动轮240与驱动齿轮250啮合，通过齿轮机构将驱动齿轮250的转动传递给从动轮240。其它结构与图22相同。另外，也可以采用各个外周形成为摩擦系数很大的从动轮240和驱动齿轮250，利用摩擦来将驱动齿轮250的转动传递给从动轮240。
另外，在上述实施方式3中，对串绕的电动机进行了说明，但是，本发明也可以应用于磁场绕组1和转子绕组4并联连接的并绕电动机。
产业上的可利用性如上所述，本发明的整流子电动机可应用于驻车制动器、电动钻等。
权利要求
1.一种整流子电动机，缠绕在定子上的磁场绕组通过电刷和整流子与缠绕在转子上的转子绕组连接，并且磁场绕组和转子绕组与交流电源相连接，其特征在于，上述电刷构成为可以沿整流子的圆周方向转动，并且具有电刷施力单元，其通过向电刷赋予规定的接触压力使得在电刷与整流子之间获得用于使位于基点位置的电刷与整流子一起转动的摩擦力，通过该电刷施力单元使转子保持在停止状态。
2.根据权利要求1所述的整流子电动机，其特征在于，通过使转子产生与上述电刷的转动方向相反的方向上的转矩，来使上述转子保持在停止状态。
3.根据权利要求1所述的整流子电动机，其特征在于，上述电刷进行如下的动作在第一操作中，从基点位置向一个方向转动使转子产生驱动转矩；在第二操作中，从基点位置向另一个方向转动使转子产生制动转矩，另外，上述电刷通过解除第一或第二操作而恢复到基点位置。
4.根据权利要求2所述的整流子电动机，其特征在于，上述电刷进行如下的动作在第一操作中，从基点位置向一个方向转动使转子产生驱动转矩；在第二操作中，从基点位置向另一个方向转动使转子产生制动转矩，另外，上述电刷通过解除第一或第二操作而恢复到基点位置。
5.根据权利要求1所述的整流子电动机，其特征在于，上述基点位置是与电角大致0度对应的位置。
6.一种整流子电动机，具有定子绕组，其缠绕在定子铁芯上；转子绕组，其缠绕在转子铁芯上；整流子，其由多个整流子片构成，并与转子绕组连接；电刷，其与整流子接触，定子绕组和转子绕组分别与交流电源连接，其特征在于，构成为固定绕组和转子绕组为串绕连接或并绕连接，整流子的各个整流子片在轴方向具有扭转，电刷和整流子可以沿整流子的轴方向相对移动。
7.根据权利要求6所述的整流子电动机，其特征在于，各整流子片的扭转角度为如下的角度在电刷和整流子的相对轴方向移动范围内，在电刷或整流子的任一方移动时，能够与电刷接触的整流子片的片数为相当于与该整流子片相连的转子绕组的电角的差大于等于90度的片数。
8.根据权利要求7所述的整流子电动机，其特征在于，电刷和整流子的相对轴方向移动范围是以转子绕组的电角大致0度的电刷位置为中心±90度或以上的范围。
9.根据权利要求6所述的整流子电动机，其特征在于，通过各整流子片形成的整流子的扭转为如下的形状从整流子的轴方向一端朝向另一端沿整流子的圆周方向顺时针扭转，然后沿圆周方向逆时针扭转。
10.根据权利要求7所述的整流子电动机，其特征在于，通过各整流子片形成的整流子的扭转为如下的形状从整流子的轴方向一端朝向另一端沿整流子的圆周方向顺时针扭转，然后沿圆周方向逆时针扭转。
11.根据权利要求8所述的整流子电动机，其特征在于，通过各整流子片形成的整流子的扭转为如下的形状从整流子的轴方向一端朝向另一端沿整流子的圆周方向顺时针扭转，然后沿圆周方向逆时针扭转。
12.一种电动钻，其特征在于，内置权利要求6～11中的任一项所述的整流子电动机作为动力源。
13.一种整流子电动机，缠绕在定子上的磁场绕组通过电刷和整流子与缠绕在转子上的转子绕组连接，并且磁场绕组和转子绕组与交流电源相连接，其特征在于，上述电刷构成为可以在整流子的圆周方向上转动，并且包括电刷保持单元，其在上述交流电源接通时，保持上述电刷使上述电刷位于与电角0度对应的基点位置上；电刷转动驱动单元，其在上述交流电源接通后，对上述电刷的转动位置进行控制，使上述转子产生正转转矩和/或反转转矩。
14.根据权利要求13所述的整流子电动机，其特征在于，上述电刷保持单元和电刷转动驱动单元具有与该整流子电动机不同的电刷驱动用电动机，通过该电刷驱动用电动机来驱动控制支承电刷的电刷支承体，以使电刷在上述交流电源接通时保持在上述基点位置，并且，在交流电源接通后，可以将电刷转动控制到任意转动位置。
15.根据权利要求13所述的整流子电动机，其特征在于，上述电刷保持单元具有用于将上述电刷保持在基点位置的弹性部件；上述电刷转动驱动单元具有克服上述弹性部件的弹性保持力而控制上述电刷的转动位置的机构。
全文摘要
本发明提供一种整流子电动机，缠绕在定子(3)上的磁场绕组(1)通过电刷(8)和整流子(7)与缠绕在转子(6)上的转子绕组(4)连接，并且磁场绕组(1)和转子绕组(4)与交流电源相连接，在该整流子电动机中，电刷(8)构成为可以在整流子(7)的圆周方向转动，并且，通过向电刷(8)赋予规定的接触压力使得在电刷(8)与整流子(7)之间获得用于使在转子(6)停止时位于基点位置的电刷(8)与整流子(7)一起转动的摩擦力，从而使转子(6)保持在停止状态。这样，可以通过简单且便宜的结构可靠地维持转子的停止状态。
文档编号H02K27/00GK1836362SQ20048002302
公开日2006年9月20日 申请日期2004年4月16日 优先权日2003年8月13日
发明者羽田正二 申请人:恩梯梯数据环保技术股份有限公司