CN101675576B - 模制换向器及组装模制换向器的换向器电动机 - Google Patents

Abstract

本发明的模制换向器具有：多个换向器片，其由铜或铜合金构成且配置在圆周上；多个电火花吸收元件，其配设在邻接的换向器片之间，具有平行的一对平面，且分别具有电极；树脂模制部，其将多个换向器片和多个电火花吸收元件一体地成形。该电火花吸收元件经由电极与换向器片电连接，在该换向器片产生的电火花电压由电极间流过的电流吸收。

Description

模制换向器及组装模制换向器的换向器电动机

技术领域

本发明涉及对用于吸尘器及电动工具等的换向器电动机起到换向功能的模制换向器及组装模制换向器的换向器电动机。

背景技术

用于吸尘器等家电设备的换向器电动机伴随着电动机的小型轻量化、性能提高、高输入化，存在有在电动机旋转中电刷与换向器片间产生的火花放电(下面记为电火花)增加，不能确保电刷寿命的问题。

为了解决该问题，必须减小电火花电压，通过采取将电刷的电阻率设定得较高，减少电枢的绕组匝数等措施，确保电刷的寿命。但是，现状是由于使电动机的效率降低，因此，该措施并不是最佳的措施。

另一方面，在信息设备等所使用的低电压(3～20V)驱动的换向器电动机中，为了确保电刷的寿命，通常在换向器片与绕组间外设有圆盘状的具有非线性电阻特性的电火花吸收元件。

通常作为电火花吸收元件所使用的非线性电阻具有当电压变为某电压以上时，电阻值急剧减少而有电流开始流过的特性，通常将1mA的电流流过时的电压称为非线性电阻电压。

用于所述信息设备等的换向器电动机所使用的非线性电阻是钛酸锶系，非线性电阻电压是3V/mA～20V/mA左右。

在绕组与换向器片之间将该电火花吸收元件电接合时，由于具有将换向变换时产生的电动势吸收的效果，从而抑制电火花产生时的电火花能量，能够使电刷寿命变长。作为使用这种电火花吸收元件实现电刷寿命变长的例子，例如公开有专利文献1、专利文献2。在专利文献1中公开有使用球形的电火花吸收元件的例子，而在专利文献2中公开有使用销形的电火花吸收元件的例子。对于后者的例子，下面参照附图进行说明。图9是现有的模制换向器的电火花吸收元件插入部分的局部剖面图，图10是流过电火花吸收元件的电流路径的说明图。

该现有的模制换向器具备由铜或铜合金构成并配置在圆周上的多个换向器片80、销形的电火花吸收元件82、将它们一体成形的树脂模制部85。通过在各换向器片之间设置凹槽81而将其断开，完成模制换向器制作。

销形的电火花吸收元件82具有吸收换向器片80间的电火花电压的功能，并且还具有相对于高速旋转时作用于换向器片80的离心力，对换向器片80进行固定、加固的功能。换向器电动机旋转时的电火花电压由图10中箭头所示的电火花吸收电流91、电火花吸收电流92吸收。

但是，该电火花吸收电流具有无法均匀地流过电火花吸收元件82的问题。即，电火花吸收电流91(用实线箭头表示)是远大于电火花吸收电流92(用虚线箭头表示)的值，结果是电流集中在电火花吸收元件82的和换向器片80接触的接触部95。其结果是具有非线性电阻特性大幅度地降低，不能充分地发挥电火花电压的吸收性能，导致电刷寿命下降这类问题。另外，用于高压电动机时，该接触部95周边的局部的自身发热增大，也可能引起元件的恶化。

专利文献1：(日本)特开平8-237913号公报

专利文献2：(日本)特开平10-257739号公报

发明内容

本发明的模制换向器具有：多个换向器片，其由铜或铜合金构成且配置在圆周上；多个电火花吸收元件，其具有平行的一对平面，并分别具有电极；树脂模制部，其在各邻接的换向器片之间配设有电火花吸收元件，将多个换向器片和多个电火花吸收元件一体成形。

在此，该电火花吸收元件经由电极与换向器片电连接，在该换向器片产生的电火花电压由电极间流过的电流吸收。本发明还包括组装该模制换向器的换向器电动机。

本发明中，根据该结构，由于在电火花吸收元件的厚度方向可以流过电流，因此，可以增加元件相对于电火花的能量容量(エネルギ一耐量)。另外，可最大限度地增加各电极面积，并且，由于电流流过最短距离，因此，可以提高电火花的吸收性。因此，用于高压电动机时，换向器片间电压也增高，因此，可以抑制漏电流，可以将发热等抑制在最小限度。能以简单的结构提供高可靠性、长寿命的模制换向器及换向器电动机。

附图说明

图1是本发明实施方式1的换向器电动机的外观图；

图2是本发明实施方式1的电枢及换向器部分的外观图；

图3是本发明实施方式1的换向器的纵向剖面图；

图4是本发明实施方式1的换向器的横向剖面图；

图5是图4的A部的放大图；

图6是本发明实施方式1的电火花吸收元件的立体图；

图7是本发明实施方式2的电火花吸收元件插入部分的局部剖面图；

图8是本发明的实施方式2的流过电火花吸收元件的电流路径的说明图；

图9是现有的模制换向器的电火花吸收元件插入部分的局部剖面图；

图10是现有的模制换向器的流过电火花吸收元件的电流路径的说明图。

附图标记说明

1   励磁部件

2   励磁铁心

3   励磁绕组

4   轴承

10  电枢

11  旋转轴

12  电枢铁心

13  电枢绕组

17  旋转风扇

18  空气导向件

22  托架

23  电刷保持器

24  螺钉

25  进气口

26  排气口

31  连接线

40  换向器

41、41a  换向器片

42  槽部

43  埋设凹部

47  固定部

48、48a  弯钩

49、49a  凹槽

50、50a  电火花吸收元件

51、51a  电火花吸收元件主体

52、52a  电极

56  电火花吸收元件的电流流向

60、61  树脂模制部

65  陶瓷销

具体实施方式

下面，使用附图对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

首先，按照表示组装有本发明的模制换向器的换向器电动机的外观图的图1进行说明。另外，该换向器电动机在电源电压为100V～240V的交流电源下使用。

图1中，励磁部件1是在励磁铁心2上设置励磁绕组3而构成。电枢10是在被固定在于旋转轴11上的电枢铁心12设置电枢绕组13，将换向器40配置在同轴上，由设置在旋转轴11的两端的轴承5旋转自如地支承。

励磁部件1被固定在托架22上，在托架22上通过电刷保持器23用螺钉24固定有一对碳刷(未图示)。另外，旋转轴11上具备有旋转风扇17，在其外周部及下部配置有形成通风路的空气导向件18.

在上述结构中，供电时在励磁绕组3传导的电流通过碳刷(未图示)传递给换向器40，在利用励磁铁心2产生的磁通和通过电枢绕组13的电流之间产生力，使电枢10旋转。通过电枢10旋转，旋转风扇17旋转，从进气口25吸入的空气通过箭头的路径，冷却电枢10、励磁部件1、碳刷，同时，从托架22的排气口26相出。

图2表示上述图1说明的本发明的电枢10的详细内容。将电枢铁心12和换向器40压入旋转轴11，利用热压等方法接合。电枢铁心12上卷绕有电枢绕组13。卷绕的电枢绕组13经由连接线31与换向器40的弯钩48接合。

下面，对本发明的实施方式1的换向器40的具体结构进行说明。图3是本发明的实施方式1的换向器的纵向剖面图，图4是该换向器的横向剖面图，图5是图4的A部的放大图。

如这些图所示，本实施方式的换向器40的换向器片41配置在圆周上。该换向器片41使用在导电性良好的电气铜内为了提高耐加工性而添加了约0.07wt％的银的铜合金。而且，对于该形状，使用异形模，以连续地拉拔状态制作纵向的换向器片形状，其后经压力加工加工成最终形状。另外，该换向器片的材料不限定于铜合金，例如也可以是铜。

陶瓷销65是与换向器片41的旋转方向两侧端面的槽部一致的形状的圆筒状销，用氧化铝陶瓷制作。而且，在各换向器片41之间配设有圆形板状的电火花吸收元件50。在本实施方式中，在圆周上配设有总计24个换向器片41，因此，在各自之间配设有总计24个陶瓷销65和24个电火花吸收元件50。将它们彼此组合试组装，压入到模制成形用环。由此，成为由换向器片41压紧保持陶瓷销65和电火花吸收元件50的状态。由此，相对于高速旋转时作用于换向器片41的离心力，由陶瓷销65加固。

其次，图6是本实施方式的电火花吸收元件50的立体图。电火花吸收元件50如图6所示制作成圆形板状。另外，其厚度优选0.5mm以上。这是因为非线性电阻电压取决于电火花吸收元件的厚度(更具体地说是电火花吸收元件内的结晶粒子的大小)。假设不足0.5mm，为了得到需要的非线性电阻电压，而难以调节结晶粒子的大小。另外，如果不足0.5mm，则电火花吸收元件的机械强度极其低，考虑到也会产生裂纹和缺口。另外，更优选电火花吸收元件的厚度在1.5mm以下。这是因为当超过1.5mm时，技术上困难，并且对于生产性及成本不利。即，超过1.5mm时，为了得到需要的非线性电阻电压，结晶粒子每1粒的粒径必须是70～80μm以上。而且，为了使结晶粒子成长至该程度时，需要增加烧结时间，或者需要使烧结温度变为高温。于是，在现有的技术下是困难的，并且对于生产性、成本方面也极为不利。另外，假设克服上述的困难，增加烧结时间，或者使烧结温度为高温，从而即使得到希望的粒径，α值也会减小，且漏电流增大，因此特性降低。

而且，在电火花吸收元件主体51的正反面具备电极52。电极52的面积是电火花吸收元件主体51的面积的80％以上。这是因为流过电火花吸收元件50的电流沿电火花吸收元件主体51的厚度方向流过，均等且有效地流过电火花吸收元件主体51。即，为了避免电流集中在一部分，电极的面积在电火花吸收元件上是整体均匀的，且尽可能设定为较宽，优选为80％以上。假设不足80％时，则电火花吸收元件的正反面的面积中不存在电极的部分无法有效地利用，电极的某部分集中流过电流。其结果是电火花吸收元件的恶化提早，产生破坏的可能性提高。

换向器片41在各侧面与电火花吸收元件50相接的部分具备槽部42。该槽部42的截面形状为半圆形，在各侧面优选设置2个。该换向器片41的各侧面与电火花吸收元件50的正反面的电极52电接合。作为接合的方法选择压焊、导电性粘接剂、焊接等适当的方法。通过在该槽部42内一体地填充树脂模制部60，更牢固地固定电火花吸收元件50。另外，防止成形时的电火花吸收元件50的倾斜及裂纹，进而相对于高速旋转时的离心力还可以期待保护电火花吸收元件50的效果。另外，该槽部42的数量在各侧面并不限定为2个，例如可适当地选择1个、3个等。另外，形状也不限定于半圆形。

如上所述，通过使换向器片41和电火花吸收元件50的电极52接合，在换向器片41上产生的电火花电压由沿电火花吸收元件主体51的厚度方向流过的电流吸收。不象现有例那样，电流没有集中在局部而均等地流过，因此可以使电火花电压的吸收性能提高。

作为该电火花吸收元件50使用有具有非线性电阻特性的所谓非线性电阻元件。而且，非线性电阻电压作为该电火花吸收元件50内流过1mA的电流时的电压值而定义。非线性电阻指数α根据流过1mA和100μA的各电流时的电压值由下述式计算出。

α＝(logI1-logI2)/(logV1-logV2)

其中，I1＝1mA、I2＝100μA，V1、V2是I1、I2时的电压值。

非线性电阻指数α越高越稳定，可以在非线性电阻元件间流过电流(电火花电流)，另外，去除电火花电压的效果也增加。钛酸锶系非线性电阻的α值是2～10左右，与之相对，氧化锌系非线性电阻可具有20～60左右的α值，在电火花吸收效果上是非常有用的。

下面，说明该电火花吸收元件50的物理性能的内容。该电火花吸收元件50是将氧化锌作为主成分的所谓的非线性电阻。更具体地说是使用在氧化锌(ZnO)粉末内添加三氧化二钡(Bi₂O₃)、氧化钴(CoO)、氧化镍(NiO)、氧化锰(MnO)、三氧化二铬(Cr₂O₃)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)二氧化锡(SnO₂)、三氧化二锑(Sb₂O₃)的氧化物并混合得到的粉末。该粉末内添加作为粘合剂的聚乙烯醇，为了组成的均匀化而用喷雾干燥机制造颗粒。其后，进行压力成形为规定的环状。

另外，通过在氧化锌粉末的平均粒径使用0.6μm～3μm，烧结温度900℃～1200℃，烧结时间3小时～30小时，升温速度20℃/小时～100℃/小时的条件下实施，调节氧化锌的结晶粒径，且调节成为规定的非线性电阻电压。

其后，通过在圆板形的正反面掩蔽印刷，形成银电极52，完成电火花吸收元件50。

另外，图4、图5所示的树脂模制部60使用添加有氧化铝、碳化硅及玻璃纤维的至少一种作为添加材料的热固化性树脂(例如酚醛树脂)，将换向器片41和电火花吸收元件50及陶瓷销65一体成形。其后，为了对各换向器片进行绝缘，在各子片间设置凹槽49而将其断开，完成本发明模制换向器40。

根据本实施方式，由于换向器片41的各侧面和电火花吸收元件50的正反面电极52电接合，因此，吸收相邻的换向器子片间产生的电火花时，可以沿电火花吸收元件50的厚度方向流过电流。因此，根据在一侧面设置电极的结构情况，可以提高能量容量。另外，因为电动机旋转时在电火花吸收元件50的厚度方向吸收在换向器间产生的电火花电压，因此可通过调节厚度来设定换向器片间的非线性电阻特性。因此，即使变更电动机规格，也可以对应，通用性非常高。由此，可适用于100V～240V的交流电源下所使用的高压电动机及各种各样的电动机规格。

(实施方式2)

图7是本发明实施方式2的电火花吸收元件插入部分的局部剖面图，图8是流过该电火花吸收元件的电流路径的说明图。

本实施方式的换向器片41a代替实施方式1的槽部42而设置有埋设凹部43。而且，在邻接的换向器片41的埋设凹部43之间夹持并埋设有电火花吸收元件50a。电火花吸收元件50a的形状优选是四边形板状。电火花吸收元件50a由电火花吸收元件主体51a和设置在其正反面的电极52a构成。而且，该电极52a的面积与实施方式1相同，是电火花吸收元件主体51a面积的80％以上。如图8所示，电火花吸收电流56沿电火花吸收元件主体51a的厚度方向均匀地流过。通过该结构，可以起到与实施方式1相同的效果。

另外，在图7所示的电流路径的说明图中，省略表示埋设凹部43。另外，电火花吸收元件50a的形状不限于四边形板状，例如也可以与实施方式1同样地适当地选择圆形板状或椭圆形板状等。另外，电火花吸收元件50a的厚度与实施方式1相同，在0.5mm～1.5mm的范围内选择。其中，优选比实施方式1稍厚。

下面，包括实施方式1和实施方式2，进行与现有例的比较试验，说明其结果。

表1表示在现有例的电火花吸收元件(销形状)和实施方式1的电火花吸收元件(圆形板状)的比较中，非线性电阻电压和α值(非线性电阻指数)的测定值。

[表1]

由该表表明，实施方式1的电火花吸收元件与现有例的电火花吸收元件比较，显示α值是大得多的值。由此，可以流过大的电火花吸收电流，电火花电压的吸收效果好。

下面，表2中，就实施方式1(圆形板状)、实施方式2(四边形板状)、现有例(销状)、无电火花吸收元件四种情况而言，测定电刷寿命。电动机在无负荷状态下施加240V交流电压，在孔径16mm、37000r/分的转速、接通10分钟/断开2分钟的条件下测定电刷(电动机)寿命。电刷长设定磨损余量为30mm。

[表2]

根据该结果可以确认，使用实施方式1和实施方式2中所示的本发明的模制换向器的换向器电动机的电刷寿命与无电火花吸收元件的情况比较可以改进约2倍、与现有例的结构时比较可改进约1.5倍，具有长寿命的效果。

另外，在上述实施方式中，利用非线性电阻元件作为电火花吸收元件50、50a，但代替非线性电阻元件，也可以利用组合电容器元件和电阻元件而成的结构。在这样组合电容器元件和电阻元件时，可以起到和非线性电阻元件同样的效果。

另外，在上述的实施方式中，采用具备陶瓷销65的结构，但也可以使用不具备陶瓷销65的结构。特别是实施方式2的结构可以适用于是由电火花吸收元件50a代替陶瓷销、不具备陶瓷销65的结构。

产业上的可利用性

根据本发明的模制换向器及组装其的换向器电动机，由于电流沿电火花吸收元件的厚度方向流过，因此可以使在换向器片间产生的电火花的吸收性提高。由此，可以提供以简单的结构、高可靠性、长寿命的模制换向器及换向器电动机作为用于吸尘器及电动工具等的高压电动机。

Claims (13)

1.一种模制换向器，其特征在于，具备：

多个换向器片，其由铜或铜合金构成，并配置在圆周上；多个电火花吸收元件，其具有平行的一对平面，且分别具有电极；树脂模制部，其在各邻接的所述换向器片之间配设有所述电火花吸收元件，且将所述多个换向器片和所述多个电火花吸收元件一体地成形，

所述电火花吸收元件经由所述电极与所述换向器片电连接，

在所述换向器片产生的电火花电压由所述电极间流过的电流吸收。

2.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述电火花吸收元件为板状。

3.如权利要求2所述的模制换向器，其特征在于，所述电火花吸收元件为圆形或四边形。

4.如权利要求2所述的模制换向器，其特征在于，所述电火花吸收元件的所述电极面积是所述板状的面积的80％以上。

5.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述电极以与所述换向器片电接触的方式而构成。

6.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述换向器片在与所述电火花吸收元件相接的部分具有槽部。

7.如权利要求6所述的模制换向器，其特征在于，所述槽部由所述树脂模制部一体地填充。

8.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述换向器片在与所述电火花吸收元件相接的部分具有埋设凹部。

9.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述电火花吸收元件是具有非线性电阻特性的元件。

10.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述电火花吸收元件是氧化锌系非线性电阻。

11.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述电火花吸收元件的厚度即、所述电火花吸收元件的正面的电极与反面的电极之间的距离为0.5mm～1.5mm。

12.如权利要求1所述的模制换向器，其特征在于，所述树脂模制部由含有作为添加材料的氧化铝、碳化硅及玻璃纤维中的至少一种的热固化性树脂构成。

13.一种换向器电动机，其特征在于，具备权利要求1～12中任一项所述的模制换向器，在100V～240V的交流电源下使用。

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