JP2004120868A

JP2004120868A - 直流モータ及び直流モータにおける構成部品の製造方法

Info

Publication number: JP2004120868A
Application number: JP2002279425A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kuwano; 桑野　雅幸; Toshio Yamamoto; 山本　敏夫; Hiromi Suzuki; 鈴木　浩巳
Original assignee: Asmo Co Ltd
Current assignee: Asmo Co Ltd
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2004-04-15

Abstract

【課題】整流子のセグメント及びブラシを一般的なカーボン材及び金属材料で構成しながら、小型化・長寿命化を図ることができる直流モータを提供すること。
【解決手段】モータ１は、セグメント４ａを有した整流子４と、ブラシ１０とを備えている。セグメント４ａはカーボン材で形成され、ブラシ１０は銅で形成される。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流モータ及び直流モータにおける構成部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、直流モータの回転軸には、銅（又は、銅を主とする合金）製のセグメントを有する整流子が設けられ、その整流子には、導電性のカーボン材で形成される給電用のブラシが当接されている。ブラシは、回転軸の径方向に延びるブラシホルダ内にて保持され、スプリングの付勢力にて整流子側に付勢されている。このように保持されたブラシは、整流子（セグメント）を介して電気子コイルに駆動電源を供給する。
【０００３】
ところが、セグメントは銅（又は、銅を主とする合金）で形成されるのに対し、ブラシは該セグメントより機械的強度が低いカーボンで形成されているため、摺接や通電によるブラシの摩耗が整流子（セグメント）よりも極端に早いという問題があった。
【０００４】
そこで、ブラシの寿命を長くするために、該ブラシを大きく（軸方向又は径方向に大きく）したり、ブラシを整流子側に付勢するスプリングのストロークを長くする等の方法が考えられる。しかし、これらの方法では、整流子、ブラシ周辺の構造が大きくなってしまい、結果として直流モータの体格が必要以上に大きくなってしまうといった問題があった。
【０００５】
そのため、例えば機械的強度の高い無定形炭素をカーボン材に含有してブラシを形成し、該ブラシの耐摩耗性を向上させ、モータの小型化・長寿命化を図るようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１６２９２３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、無定形炭素を用いるとブラシの耐摩耗性が向上するが、その反面、無定形炭素を用いない一般的なブラシに比べてコストが上昇するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、整流子のセグメント及びブラシを一般的なカーボン材及び金属材料で構成しながら、小型化・長寿命化を図ることができる直流モータ及び直流モータにおける構成部品の製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に記載の発明は、複数個のセグメントを有する整流子と、前記セグメントに摺接し、電源供給を行うブラシとを備えたモータにおいて、前記セグメントは、導電性のカーボン材で形成され、前記ブラシは、前記セグメントよりも機械的強度の高い金属材料で形成されていることをその要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の直流モータにおいて、前記セグメントは、前記ブラシがカーボン材で形成された場合における該ブラシの摩耗量に応じた厚さで形成され、前記ブラシは、前記セグメントが金属材料で形成された場合における該セグメントの摩耗量に応じた長さで形成されていることをその要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の直流モータにおいて、前記金属材料は、銅又は銅を主とする合金であることをその要旨とする。
請求項４に記載の発明は、複数個のセグメントを備えた整流子と、前記セグメントに摺接して、電源供給を行うブラシとを備えた直流モータにおける構成部品の製造方法において、導電性のカーボン材で形成される仮のブラシの長さと、その仮のブラシより機械的強度の高い金属材料で形成される仮のセグメントの厚さとを設定する工程と、前記仮のセグメント及び前記仮のブラシの摺接時における各摩耗量を測定する工程と、本来使用するセグメント及びブラシの材料と、前記仮のセグメント及び前記仮のブラシの材料とを入れ替えるとともに、前記測定の結果をもとに本来使用するセグメントの厚さを、前記仮のブラシがカーボン材で形成された場合における該ブラシの摩耗量に応じて設定し、本来使用するブラシの長さを、前記仮のセグメントが金属材料で形成された場合における該セグメントの摩耗量に応じて設定する工程と、前記設定に基づいて本来使用する前記ブラシ及び前記セグメントを製造する工程とを有することをその要旨とする。
【００１２】
（作用）
請求項１に記載の発明によれば、セグメントはカーボン材で形成され、ブラシはセグメントよりも機械的強度の高い金属材料で形成される。直流モータの作動中において、ブラシは常にセグメントと摺接することにより摩耗するが、セグメントは、周方向に配置される全セグメントの表面全体で摩耗を分担する。つまり、１つのセグメントは、ブラシと接触している時のみ、即ち、間欠的に摩耗する。従って、従来と比べ、ブラシは摩耗量が小さくなりそれに伴って径方向の長さを小さくすることができ、セグメントは全体の摩耗量が大きくなるが、１つのセグメントが分担する摩耗量が小さく、結果として径方向の厚さの増加量を小さくすることができる。その結果、整流子のセグメント及びブラシを一般的なカーボン材及び金属材料で構成しながら、小型化・長寿命化を図ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、セグメントの厚さは、カーボン材で形成されたブラシの摩耗量に応じて設定され、ブラシの長さは、金属材料で形成されたセグメントの摩耗量に応じて設定される。従って、セグメント及びブラシの寸法設定が容易にでき、又、それらの製造も容易とすることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、ブラシは安価な銅、又は、銅を主とする合金で形成されるので、コストの低減を図ることができる。
請求項４に記載の発明によれば、本来使用するセグメントの厚さは、カーボン材で形成された仮のブラシの摩耗量に応じて設定され、本来使用するブラシの長さは、金属材料で形成された仮のセグメントの摩耗量に応じて設定される。従って、本来使用するセグメント及びブラシの寸法設定が容易で、又、それらの製造も容易とすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、直流モータ（以下、単にモータという）１のハウジング２には、アーマチャ３及び整流子４を装着した回転軸５が軸受６を介して回転可能に支持されている。又、ハウジング２の内周面には、アーマチャ３と対向した位置に複数のマグネット７が固着されている。さらに、ハウジング２内には、整流子４と隣接した位置にブラシ装置８が配設されている。
【００１６】
整流子４は、略円筒形状に形成されている。整流子４の外周面には複数のセグメント４ａが設けられ、各セグメント４ａは導電性のカーボン材で形成されている。セグメント４ａは、径方向において後述するブラシ１０の摺接部１０ａの摩耗量に応じた厚さで形成される。
【００１７】
ブラシ装置８は、一対のブラシ１０と、ブラシホルダ１１と、後板１２と、コイルスプリング１３とを備えている。
ブラシ１０は、略直方体状をなし、整流子４のセグメント４ａと摺接可能な部位を摺接部１０ａとしている。摺接部１０ａは、径方向においてセグメント４ａの摩耗量に応じた長さで形成される（図２中、先端から２点鎖線までの長さ）。尚、摺接部１０ａが全て摩耗する時間が寿命である。ブラシ１０は、カーボン材で形成されるセグメント４ａよりも機械的強度が高い金属材料としての銅（又は、銅を主とする合金）で形成される。つまり、本実施形態では、ブラシ１０及びセグメント４ａの材料を逆にしている。そのため、ブラシ１０の摩耗量はセグメント４ａの摩耗量よりも小さくなる。
【００１８】
ブラシホルダ１１はブラシ１０を収容すべく略矩形状に形成されている。ブラシホルダ１１の後端開口部（反整流子側開口部）は、ブラシホルダ１１に一体に形成された後板１２によって塞がれている。
【００１９】
コイルスプリング１３はブラシホルダ１１内のブラシ１０の後端面（反整流子側端面）と後板１２の間に圧縮して収容されている。コイルスプリング１３はブラシ１０を整流子４に向かって付勢している。
【００２０】
ここで、モータ１の作動中においては、ブラシ１０の摺接部１０ａは常にセグメント４ａと摺接することにより摩耗する。一方、セグメント４ａは、周方向に配置される全セグメントの表面全体で摩耗を分担する。つまり、１つのセグメント４ａは、摺接部１０ａと接触している時のみ、即ち、間欠的に摩耗する。つまり、従来と比べ、摺接部１０ａは摩耗量が小さくなりそれに伴って径方向の長さを小さくすることができ、セグメント４ａは全体の摩耗量が大きくなるが、１つのセグメント４ａが分担する摩耗量が小さく、結果として径方向の厚さの増加量を小さくすることができる。
【００２１】
次に、図３において、整流子２０のセグメント２０ａを銅（又は、銅を主とする合金）製とし、ブラシ２１を導電性のカーボン材で形成した一般のモータＭを示し、図２において、整流子４のセグメント４ａを導電性のカーボン材で形成し、ブラシ１０を銅（又は、銅を主とする合金）製とした本実施形態のモータ１を示し、両モータＭ，１の直径を比較してみる。比較のために、モータＭのセグメント及びブラシの摩耗量と、モータ１のセグメント及び摺接部の摩耗量とは同量とする。尚、両図２，３において、図面が煩雑になるのを防止するために、各セグメント４ａ，２０ａ間の区切る線を省略してある。
【００２２】
まず、一般のモータＭの場合について説明する。図３（ａ）は、モータＭの整流子２０及びブラシ２１の要部断面図、図３（ｂ）は要部側面図を示す。
整流子２０は、セグメント２０ａの厚さＴ１を含む直径Ｄ１で形成されている。この時、整流子２０の限界摩耗径（ブラシ２１との摺接によりセグメント２０ａが摩耗される限界径）ｄとする。又、ブラシ２１との摺接によって摩耗されるセグメント２０ａの摩耗量（摩耗体積）Ｃ１とする。
【００２３】
ブラシ２１の摺接部２１ａは、モータＭの径方向に対して長さＬｂ１、周方向に対して幅Ｗ、軸方向に対して高さＨで形成されている。摺接部２１ａは、セグメント２０ａとの摺接によって摩耗する摩耗量（摩耗体積）Ｂ１とする。
【００２４】
これより、Ｔ１＝［−ｄ＋√｛ｄ^２＋４×Ｃ１／（π×Ｈ）｝］／２であり、Ｌｂ１＝Ｂ１／（Ｗ×Ｈ）である。ブラシ２１の摺接部２１ａ及び整流子２０の径方向における全体の長さＬ１とすると、Ｌ１＝２×Ｂ１／（Ｗ×Ｈ）＋√｛ｄ^２＋４×Ｃ１／（π×Ｈ）｝である。
【００２５】
これに対し、本実施形態のモータ１について説明する。図２（ａ）は、モータ１の整流子４及びブラシ１０の要部断面図、図２（ｂ）は要部側面図を示す。
整流子４は、セグメント４ａの厚さＴ２を含む直径Ｄ２で形成されている。この時、整流子４の限界摩耗径ｄであり、前記モータ１と同径とする。又、ブラシ１０との摺接によって摩耗されるセグメント４ａの摩耗量（摩耗体積）Ｃ２とする。
【００２６】
ブラシ１０の摺接部１０ａは、モータ１の径方向に対して長さＬｂ２、周方向に対して幅Ｗ、軸方向に対して高さＨで形成されている。摺接部１０ａは、セグメント４ａとの摺接によって摩耗する摩耗量Ｂ２とする。
【００２７】
これより、Ｔ２＝［−ｄ＋√｛ｄ^２＋４×Ｃ２／（π×Ｈ）｝］／２であり、Ｌｂ２＝Ｂ２／（Ｗ×Ｈ）である。ブラシ１０の摺接部１０ａ及び整流子４の全体の長さをＬ２とすると、Ｌ２＝２×Ｂ２／（Ｗ×Ｈ）＋√｛ｄ^２＋４×Ｃ２／（π・Ｈ）｝である。ここで、モータＭのセグメント２０ａの摩耗量Ｃ１とモータ１の摺接部１０ａとの摩耗量Ｂ２は同量であり、又、モータＭの摺接部２１ａの摩耗量Ｂ１とモータ１のセグメント４ａとの摩耗量Ｃ２は同量である。つまり、Ｃ２＝Ｂ１、Ｂ２＝Ｃ１であるので、Ｌ２＝２×Ｃ１／（Ｗ×Ｈ）＋√｛ｄ^２＋４×Ｂ１／（π×Ｈ）｝となる。
【００２８】
そして、モータＭのセグメント２０ａの摩耗量Ｃ１と、摺接部２１ａの摩耗量Ｂ１との比をαとすると、Ｂ１＝α×Ｃ１となり、Ｌ１及びＬ２の式に代入すると、Ｌ１＝２×Ｂ１／（Ｗ×Ｈ）＋√｛ｄ^２＋４×Ｃ１／（π×Ｈ×α）｝、Ｌ２＝２×Ｃ１／（Ｗ×Ｈ×α）＋√｛ｄ^２＋４×Ｂ１／（π×Ｈ×α）｝となる。ここで、モータＭの摺接部２１ａの摩耗量Ｂ１がセグメント２０ａの摩耗量Ｃ１より大きい（α＞１）とすると、Ｌ１＞Ｌ２となる。
【００２９】
つまり、ブラシ１０の摺接部１０ａの機械的強度をセグメント４ａより高くすることで、本実施形態のモータ１では、セグメント４ａの厚さＴ２がわずかに増加するが、該摺接部１０ａの長さＬｂ２をその厚さＴ２の増加分よりも大きく減少させることができる。そのため、上記のように長さＬ２を十分小さくできるので、寿命の長さを維持しながらモータ１の体格の小型化を図ることができる。
【００３０】
又、コイルスプリング１３の必要ストロークが短くできるため、寿命後期での荷重低下による摩耗の加速が少なくなり、長寿命化を図ることができる。又、コイルスプリング１３のバネ定数を大きくし、長さを短くすれば、モータ１の体格をより小型化することができ、コストの低減を図ることができる。又、モータ１の長さＬ２をモータＭの長さＬ１と同じとなるように、セグメント４ａの厚さＴ２とブラシ１０の摺接部１０ａの長さＬｂ２を増加すれば、モータ１の体格を大きくすることなく寿命を長くすることができる。
【００３１】
次に、本実施形態の直流モータ１における構成部品（セグメント４ａ及びブラシ１０）の製造方法について説明する。
まず、一般的な構成のモータＭにおいて、導電性のカーボン材で形成されるブラシ２１（仮のブラシ）の摺接部２１ａの径方向の長さＬｂ１と、摺接部２１ａより機械的強度が高い銅（又は、銅を主とする合金）で形成される整流子２０のセグメント２０ａ（仮のセグメント）の径方向の厚さＴ１とを設定する。
【００３２】
次いで、整流子２０を回転させ、ブラシ２１の摺接部２１ａ及びセグメント２０ａの摩耗量Ｂ１，Ｃ１を測定する。
次いで、本来使用するセグメント４ａ及びブラシ１０の材料と、セグメント２０ａ（仮のセグメント）及びブラシ２１（仮のブラシ）との材料を入れ替え、測定したブラシ２１の摺接部２１ａの摩耗量Ｂ１に基づいて本実施形態の整流子４のセグメント４ａの厚さＴ２を設定する。同様に、測定したセグメント２０ａの摩耗量Ｃ１に基づいて摺接部１０ａの長さＬｂ２を設定する。
【００３３】
そして、モータ１が所望の体格及び寿命となるようにコイルスプリング１３の長さ及びバネ定数を設定する。このようにして寸法などが設定されたブラシ１０、セグメント４ａ及びコイルスプリング１３に基づいてこれら部品が製造され、モータ１が製造される。
【００３４】
上記したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）モータ１は、ブラシ１０が銅（又は、銅を主とする合金）で形成され、整流子４のセグメント４ａがカーボン材で形成されている。つまり、ブラシ１０の摺接部１０ａの機械的強度をセグメント４ａより高くすることで、本実施形態のモータ１では、セグメント４ａの厚さＴ２がわずかに増加するが、該摺接部１０ａの長さＬｂ２をその厚さＴ２の増加分よりも大きく減少させることができる。従って、モータ１の整流子４とブラシ１０との径方向における全体の長さＬ２を短くすることができるので、モータ１の体格を小さくすることができる。又、モータ１の長さＬ２をモータＭの長さＬ１と同じとなるようにセグメント４ａの厚さとブラシ１０の摺接部１０ａの長さを設定すれば、モータ１の体格を大きくすることなく寿命を長くすることができる。又、この場合、ブラシ１０及びセグメント４ａは一般的なカーボン材及び金属材料で構成できる。
【００３５】
（２）セグメント４ａの厚さは、カーボン材で形成されたブラシ２１の摺接部２１ａの摩耗量に応じて設定され、ブラシ１０の摺接部１０ａの長さは、金属材料で形成されたセグメント２０ａの摩耗量に応じて設定される。従って、セグメント４ａ及び摺接部１０ａの寸法設定が容易にでき、又、それらの製造も容易にすることができる。
【００３６】
（３）ブラシ１０は安価な銅（又は、銅を主とする合金）で形成されるので、コストの低減を図ることができる。
（４）コイルスプリング１３は、モータ１が所望の体格及び寿命となるような長さ及びバネ定数で形成されている。従って、コイルスプリング１３の必要ストロークが短くできるため、寿命後期での荷重低下による摩耗の加速が少なくなり寿命がさらに延びることが期待できる。又は、モータ１のコイルスプリング１３の長さを短く、バネ定数を大きく形成すれば、モータ１の体格をより小型化することができ、コストの低減を図ることができる。
【００３７】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
○上記実施形態では、製造方法において、カーボン材で形成した摺接部２１ａと銅で形成したセグメント２０ａとの摩耗量Ｂ１，Ｃ１を測定し、該摩耗量Ｂ１，Ｃ１に応じて本実施形態の摺接部１０ａ及びセグメント４ａを形成している。しかし、これに限らず、カーボン材と金属材料との機械的強度の関係から摩耗量を求め、セグメント４ａの厚さＴ２と摺接部１０ａの長さＬｂ２とを算出するようにしても良い。この場合、予めカーボン材で形成されるセグメント４ａより機械的強度の高い金属材料で摺接部１０ａを形成すれば、本実施形態の製造効率を向上することができる。
【００３８】
○上記実施形態では、ブラシ１０は銅（又は、銅を主とする合金）で形成されていたが、ブラシ１０の機械的強度がセグメント４ａ（カーボン材）より高く、モータ１を正常に動作できれば他の金属材料で形成しても良い。
【００３９】
上記実施形態から把握できる技術的思想を以下に記載する。
（イ）複数個のセグメントを備えた整流子と、前記セグメントに摺接して、電源供給を行うブラシとを備えた直流モータにおける構成部品の製造方法において、
導電性のカーボン材で形成される仮のブラシの長さと、その仮のブラシより機械的強度の高い金属材料で形成される仮のセグメントの厚さとを設定する工程と、
前記仮のセグメント及び前記仮のブラシの摺接時における各摩耗量を算出する工程と、
本来使用するセグメント及びブラシの材料と、前記仮のセグメント及び前記仮のブラシの材料とを入れ替えるとともに、前記算出の結果をもとに本来使用するセグメントの厚さを、前記仮のブラシがカーボン材で形成された場合における該ブラシの摩耗量に応じて設定し、本来使用するブラシの長さを、前記仮のセグメントが金属材料で形成された場合における該セグメントの摩耗量に応じて設定する工程と、
前記設定に基づいて本来使用する前記ブラシ及び前記セグメントを製造する工程と
を有する直流モータにおける構成部品の製造方法。
【００４０】
このようにすれば、本来使用するセグメントの厚さは、カーボン材で形成された仮のブラシの摩耗量に応じて設定され、本来使用するブラシの長さは、金属材料で形成されたセグメントの摩耗量に応じて設定される。従って、本来使用するセグメント及びブラシの寸法設定が容易で、又、それらの製造も容易にすることができる。しかも、仮のセグメント及び仮のブラシの摺接時における各摩耗量を算出するようにしているので、その摩耗量を実際に測定する工程を設けなくてすみ、その分だけコストを低減することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、整流子のセグメント及びブラシを一般的なカーボン材及び金属材料で構成しながら、小型化・長寿命化を図ることができる直流モータ及び直流モータにおける構成部品の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モータの概略図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は整流子とブラシの説明図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は整流子とブラシの説明図である。
【符号の説明】
１…直流モータ、４，２０…整流子、４ａ，２０ａ…セグメント、８…ブラシ装置、１０，２１…ブラシ、１０ａ，２１ａ…摺接部、１３…コイルスプリング、Ｂ１，Ｂ２，Ｃ１，Ｃ２…摩耗量、Ｌ１，Ｌ２，Ｌｂ１，Ｌｂ２…長さ、Ｍ…一般的なモータ、Ｔ１，Ｔ２…厚さ。

Claims

複数個のセグメントを有する整流子と、前記セグメントに摺接して、電源供給を行うブラシとを備えたモータにおいて、
前記セグメントは、導電性のカーボン材で形成され、前記ブラシは、前記セグメントよりも機械的強度の高い金属材料で形成されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１に記載の直流モータにおいて、
前記セグメントは、前記ブラシがカーボン材で形成された場合における該ブラシの摩耗量に応じた厚さで形成され、前記ブラシは、前記セグメントが金属材料で形成された場合における該セグメントの摩耗量に応じた長さで形成されていることを特徴とする直流モータ。
請求項１又は２に記載の直流モータにおいて、
前記金属材料は、銅又は銅を主とする合金であることを特徴とする直流モータ。
複数個のセグメントを備えた整流子と、前記セグメントに摺接して、電源供給を行うブラシとを備えた直流モータにおける構成部品の製造方法において、
導電性のカーボン材で形成される仮のブラシの長さと、その仮のブラシより機械的強度の高い金属材料で形成される仮のセグメントの厚さとを設定する工程と、
前記仮のセグメント及び前記仮のブラシの摺接時における各摩耗量を測定する工程と、
本来使用するセグメント及びブラシの材料と、前記仮のセグメント及び前記仮のブラシの材料とを入れ替えるとともに、前記測定の結果をもとに本来使用するセグメントの厚さを、前記仮のブラシがカーボン材で形成された場合における該ブラシの摩耗量に応じて設定し、本来使用するブラシの長さを、前記仮のセグメントが金属材料で形成された場合における該セグメントの摩耗量に応じて設定する工程と、
前記設定に基づいて本来使用する前記ブラシ及び前記セグメントを製造する工程と
を有する直流モータにおける構成部品の製造方法。