JP2004229352A - 回転電機の電機子及びこの電機子を有するスタータ - Google Patents

Abstract

【課題】小型、軽量であり、且つ性能向上に寄与できる回転電機の電機子１を提供すること。
【解決手段】整流子５は、一組の外側コイル端９ｂの一方をセグメント１２として使用し、そのセグメント１２に対し軸方向からブラシ１３が当接するフェイス型整流子５として構成されている。セグメント１２の表面（整流子面）には、電機子１の周方向に沿って凹設された複数の溝１５が形成されている。この複数の溝１５は、電機子軸２と略同心円状に設けられ、且つ隣接する溝１５同士が略等間隔に形成されている。この構成によれば、従来の平滑な整流子面と比較して、整流子面とブラシ１３との接触面積が増大するので、両者の接触面における通電時の電流密度が５０〜６０％となり、その分、電圧降下損が減少するため、出力が向上する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、整流子を有する回転電機の電機子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大気中の二酸化炭素増加による温暖化等、地球環境の悪化を防止するために、自動車においては燃費向上が重要課題となり、エンジンの改良が進められている。それに伴い、エンジンの補機部品であるスタータにおいては、その全体重量に占める割合の最も大きいモータの小型、軽量化が課題となっている。
この課題に対し、本願出願人は、電機子コイルの一部を整流子面として使用する回転電機の構造を提案した（特許文献１参照）。本構造によれば、単独の整流子を設ける必要がないので、それまでのモータに対し、格段の小型、軽量化を図ることができる。また、従来の整流子に必要とされるアンダーカットが不要になる等、設備費や工数を低減できる効果もある。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２９２４６０５ 号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願（特許文献１）の構造では、小型、軽量化により自動車の燃費向上に寄与することはできるが、性能自体は従来と同等であり、小型、軽量化した上で、従来以上の性能を発揮するものではなかった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、小型、軽量であり、且つ性能向上に寄与できる回転電機の電機子を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の発明）
本発明は、整流子を有する回転電機の電機子であって、
整流子は、ブラシが摺接するブラシ摺接面にブラシとの接触面積を増大させる接触面積増大手段を有していることを特徴とする。
この場合、小型の整流子とブラシとの組み合わせにおいても、ブラシとの接触面積が減少することはなく、必要な接触面積を確保できる。これにより、接触面積の減少から生じる接触電圧降下による性能低下を抑制できる。従って、小型、軽量化した上で、従来以上の性能を発揮することが可能である。
【０００６】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した回転電機の電機子において、
整流子は、ブラシ摺接面が電機子軸と直交するフェイス型整流子として構成され、接触面積増大手段は、ブラシ摺接面の周方向に凹設された溝であり、この溝が電機子軸と略同心円状に複数列設けられていることを特徴とする。
この構成では、ブラシ摺接面に複数の溝を凹設することにより、ブラシ摺接面の表面積が増大して、ブラシとの接触面積が増大する。また、ブラシ摺接面に凹設される複数の溝は、加工が容易であり、コストアップを招くことなく性能向上に寄与できる。
【０００７】
（請求項３の発明）
請求項１に記載した回転電機の電機子において、
整流子は、ブラシ摺接面が電機子軸の回転中心から同一半径を有する円筒上に配置された円筒型整流子として構成され、接触面積増大手段は、ブラシ摺接面の周方向に凹設された溝であり、この溝が軸方向に複数列設けられていることを特徴とする。
この構成では、ブラシ摺接面に複数の溝を凹設することにより、ブラシ摺接面の表面積が増大して、ブラシとの接触面積が増大する。また、ブラシ摺接面に凹設される複数の溝は、加工が容易であり、コストアップを招くことなく性能向上に寄与できる。
【０００８】
（請求項４の発明）
請求項２または３に記載した回転電機の電機子において、
ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、ブラシ摺接面上から深さ方向に向かって溝幅が次第に狭くなっていることを特徴とする。
この構成では、ブラシの押圧荷重が溝の側面にも有効に作用するため、ブラシ摺接面に溝を凹設したことによる接触面積増大の効果が得られる。
【０００９】
（請求項５の発明）
請求項４に記載した回転電機の電機子において、
ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、溝幅方向の少なくとも一方の側面が直線状または曲線状に傾斜していることを特徴とする。
これにより、ブラシ摺接面上から深さ方向に向かって溝幅を次第に狭く形成することができる。
【００１０】
（請求項６の発明）
請求項２〜５に記載した何れかの回転電機の電機子において、
ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、隣り合う溝同士の間の頂上部（ブラシ摺接面上）の幅が、隣り合う溝同士の間隔（ピッチ）の１／２より小さくなる様に形成されていることを特徴とする。
ブラシ摺接面とブラシとの摺接初期には、隣り合う溝同士の間の頂上部にブラシの押圧荷重が掛かる。この時、頂上部の幅が隣り合う溝同士の間隔の１／２より小さく形成されていると、頂上部の面圧が高くなるので、この頂上部に対向するブラシの摺接部が優先的に削れる。その結果、早期にブラシ摺接面とブラシとの馴染みができるため、ブラシ摺接面に対しブラシの良好な摺動を達成できる。
【００１１】
（請求項７の発明）
請求項２〜６に記載した何れかの回転電機の電機子において、
ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、ブラシ摺接面上から溝の最深部までの深さが、整流子を構成する個々のセグメントの厚さの１／２より小さく形成されていることを特徴とする。
この場合、ブラシ摺接面に溝を形成することによるセグメントの強度低下を小さくできるので、整流子の耐遠心強度を確保できる。
【００１２】
（請求項８の発明）
請求項２〜７に記載した何れかの回転電機の電機子において、
ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、切削あるいは押圧による塑性加工により形成されていることを特徴とする。
この場合、全溝形状を同時に加工できる総型の切削工具あるいはプレス型によってブラシ摺接面を加工できるので、従来の平滑面を加工する汎用バイトによる切削加工に比べて加工費の低減を図ることができる。
【００１３】
（請求項９の発明）
本発明は、請求項１〜８に記載した何れかの電機子をスタータモータに適用した自動車用スタータである。
これにより、スタータの小型、軽量化を実現でき、且つ性能向上により、エンジン始動時のエネルギー低減に寄与できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
この第１実施例は、本発明の電機子１を自動車用スタータに用いられるモータに適用した一例であり、図１に電機子１の断面図を示す。
モータは、本発明の電機子１を回転子とする直流電動機である。
電機子１は、電機子軸２と、この電機子軸２に支持された電機子鉄心３と、この電機子鉄心３に巻装される電機子コイル４、及び整流子５を備える。
【００１５】
電機子軸２は、モータの後端部を閉塞するエンドフレーム（図示しない）に保持された軸受６と、モータヨークと一体に設けられた隔壁部（図示しない）に保持された軸受７とを介して回転自在に支持されている。
電機子軸２の図１左端部には、例えば遊星減速装置（図示せず）の遊星ギヤと噛み合うサンギヤ２ａが設けられ、電機子軸２の回転を遊星ギヤに伝達する。
【００１６】
電機子鉄心３は、円板状の薄鋼板を複数枚積層して電機子軸２に嵌め合わされ、電機子軸２の外周面に形成されたセレーション２ｂに係合している。
電機子鉄心３の外径部には、所定数のスロット３ａが形成されている。このスロット３ａは、電機子鉄心３の全周に等間隔に位置し、電機子鉄心３の全長に渡って形成されている。
電機子コイル４は、以下に説明する内側導体８と外側導体９とで形成される。
【００１７】
内側導体８は、電機子鉄心３のスロット３ａに挿入される内側コイル辺８ａと、この内側コイル辺８ａの両端からそれぞれ電機子鉄心３の端面と略平行に配置される一組の内側コイル端８ｂとで構成され、その内側コイル端８ｂの先端部に軸方向反鉄心側へ突き出る突出部８ｃが設けられている。
外側導体９は、電機子鉄心３のスロット３ａ内で内側コイル辺８ａの外側に挿入される外側コイル辺９ａと、この外側コイル辺９ａの両端からそれぞれ内側コイル端８ｂの軸方向外側に配置される一組の外側コイル端９ｂとで構成される。
【００１８】
上記の内側導体８と外側導体９は、電機子鉄心３に組み付けられた後、内側コイル端８ｂの突出部８ｃと外側コイル端９ｂの先端部とが溶接等により電気的且つ機械的に接合されて電機子コイル４を形成している（図１参照）。
なお、スロット３ａの内面と内側コイル辺８ａとの間、及び内側コイル辺８ａと外側コイル辺９ａとの間には、それぞれスロット内絶縁紙（図示せず）が配設されている。また、電機子鉄心３の端面と内側コイル端８ｂとの間、及び内側コイル端８ｂと外側コイル端９ｂとの間には、それぞれ樹脂系絶縁板１０、１１が配設されている。
【００１９】
整流子５は、一組の外側コイル端９ｂの一方（図１の右側）をセグメント（以下、一方の外側コイル端９ｂをセグメント１２と呼ぶ）として使用し、そのセグメント１２に対し軸方向からブラシ１３が当接するフェイス型整流子５として構成されている。
ブラシ１３は、エンドフレームに固定されたブラシホルダ（図示せず）に挿入され、ブラシ１３の後ろ側（反整流子側）に配置されたスプリング（図示せず）によりセグメント１２の表面（整流子面）に押圧されている。
【００２０】
セグメント１２は、図２に示す様に、周方向に隣接する他のセグメント１２との間に一定の隙間１４（従来の整流子に設けられるアンダーカットに相当する）が確保されてセグメント１２同士の間が絶縁され、且つ樹脂系絶縁板１１によって内側コイル端８ｂとの間が絶縁されている。
セグメント１２の表面（整流子面）には、電機子１の周方向に沿って凹設された複数の溝１５が形成されている。この複数の溝１５は、電機子軸２と略同心円状に設けられ、且つ隣接する溝１５同士が略等間隔に形成されている。
なお、本実施例では、セグメント１２の表面全体（整流子面全体）に複数の溝１５を形成しているが、少なくとも回転時にブラシ１３が摺接する部分（本発明のブラシ摺接面）のみに複数の溝１５を形成しても良い。
【００２１】
整流子面に凹設された複数の溝１５は、整流子面から深さ方向に向かって溝幅が次第に狭くなる様に形成されている。具体的には、図３に示す様に、溝１５の側面（少なくとも一方の側面）がα°の傾斜を有している。また、隣り合う溝１５同士の間の頂上部の幅Ｃは、隣り合う溝１５同士の間隔Ｐの１／２より小さく構成されている。
更に、整流子面に溝１５を形成したことによるセグメント１２の強度低下を抑えるために、溝１５の深さＨ（整流子面から溝１５の最深部までの距離）が、セグメント１２の厚さＴの１／２より小さく形成されている。これにより、整流子５の耐遠心強度が確保される。
【００２２】
（第２実施例）
図４は電機子１の半断面図である。
本実施例の電機子１は、図４に示す様に、電機子コイル４に接続されたセグメント１２を電機子軸２の外周に円筒状に配置して構成された円筒型整流子５を有し、その円筒表面（整流子面）にブラシ１３が配置されている。
セグメント１２の表面（整流子面）には、第１実施例と同様に、複数の溝１５が周方向に沿って凹設され、且つ軸方向に略等間隔に形成されている。
なお、溝１５の形状（側面がα°の傾斜を有していること）、溝１５の深さＨ、頂上部の幅Ｃと溝１５同士の間隔Ｐとの関係は、第１実施例と同じである。
【００２３】
次に、上記実施例の作用及び効果を説明する。
電機子１の回転により整流子面上をブラシ１３が摺接すると、整流子面に凹設された溝１５と溝１５との間の頂上部に対向するブラシ１３の摺接部が優先的に削れるため、ブラシ１３の端面に凹凸形状が形成されて、溝１５の内部までブラシ１３が入り込むことができる。これにより、従来の平滑な整流子面と比較して、整流子面とブラシ１３との接触面積が増大（平滑な整流子面に対し１．５ 〜２．０ 倍に増大）するので、整流子面とブラシ１３との接触面における通電時の電流密度が５０〜６０％となり、その分、電圧降下損が減少するため、出力が向上する。本発明者の実験結果によれば、１．６ＫＷ クラスのスタータにおいて、最大出力が約９ ％増加した。
【００２４】
従来、整流子５及びブラシ１３の小型化は、通電時の電流密度が増加するため、その対策としてブラシ１３の押圧圧力を高くする必要があった。しかし、ブラシ１３の押圧圧力を高くすると、当然ながらトルク損失が増大するため、その分を見込んで鉄量等を増加させて設計（鉄心を長くする等）する必要があり、小型、軽量化の足かせとなっていた。また、自動車スタータでは、減速比を大きくすることで、モータを低トルク、高回転型にして小型、軽量化を推進しているため、モータ自体の損失トルクの割合が大きくなり易いという問題がある。これに対し、本実施例の構成によれば、ブラシ１３の押圧圧力を高める必要がないため、トルク損失が増大することはなく、更なる小型、軽量化の促進が可能となる。
【００２５】
更に、整流子面に形成された溝１５の内部にブラシ１３が入り込むことで、整流子面に対するブラシ１３の座乗性（摺動時の安定性）が向上するため、火花の発生が抑制される。これは、無負荷時のモータ回転数より高く成り易い自動車用スタータでは、ブラシ１３の寿命向上に寄与できる。
また、ブラシ１３の座乗性向上により、無負荷時の整流子５とブラシ１３との間の電圧降下損失が減少するので、モータの無負荷回転数が向上する。本発明者の実験によれば、従来の整流子（整流子面が平滑）に比べて約２０％上昇した。
【００２６】
これは、自動車用スタータにおいて、近年多用されている磁石界磁式（永久磁石により磁界を発生する方式）のモータに効果がある。つまり、自動車用スタータでは、エンジン始動直後にスタータ回転数をエンジン回転数に追従させる必要があるが、磁石界磁式のモータでは、無負荷回転数が低いため、これを改良する手段として補助磁極を追加している。これに対し、本実施例の構成によれば、磁石界磁式のモータでも、補助磁極を追加することなく無負荷回転数を向上できるので、コストダウンを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電機子の断面図である（第１実施例）。
【図２】電機子の整流子側から見た軸方向正面図である（第１実施例）。
【図３】セグメントの拡大断面図である（第１実施例）。
【図４】電機子の半断面図である（第２実施例）。
【符号の説明】
１ 電機子
２ 電機子軸
５ 整流子
１３ ブラシ
１５ 溝（接触面積増大手段）
Ｃ 隣り合う溝同士の間の頂上部の幅
Ｈ 溝の深さ
Ｐ 隣り合う溝同士の間隔
Ｔ セグメントの厚さ

Claims (9)

1. 整流子を有する回転電機の電機子であって、
   前記整流子は、ブラシが摺接するブラシ摺接面に前記ブラシとの接触面積を増大させる接触面積増大手段を有していることを特徴とする回転電機の電機子。
2. 請求項１に記載した回転電機の電機子において、
   前記整流子は、前記ブラシ摺接面が電機子軸と直交するフェイス型整流子として構成され、
   前記接触面積増大手段は、前記ブラシ摺接面の周方向に凹設された溝であり、この溝が前記電機子軸と略同心円状に複数列設けられていることを特徴とする回転電機の電機子。
3. 請求項１に記載した回転電機の電機子において、
   前記整流子は、前記ブラシ摺接面が電機子軸の回転中心から同一半径を有する円筒上に配置された円筒型整流子として構成され、
   前記接触面積増大手段は、前記ブラシ摺接面の周方向に凹設された溝であり、この溝が軸方向に複数列設けられていることを特徴とする回転電機の電機子。
4. 請求項２または３に記載した回転電機の電機子において、
   前記ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、前記ブラシ摺接面上から深さ方向に向かって溝幅が次第に狭くなっていることを特徴とする回転電機の電機子。
5. 請求項４に記載した回転電機の電機子において、
   前記ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、溝幅方向の少なくとも一方の側面が直線状または曲線状に傾斜していることを特徴とする回転電機の電機子。
6. 請求項２〜５に記載した何れかの回転電機の電機子において、
   前記ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、隣り合う前記溝同士の間の頂上部（前記ブラシ摺接面上）の幅が、隣り合う前記溝同士の間隔（ピッチ）の１／２より小さくなる様に形成されていることを特徴とする回転電機の電機子。
7. 請求項２〜６に記載した何れかの回転電機の電機子において、
   前記ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、前記ブラシ摺接面上から前記溝の最深部までの深さが、前記整流子を構成する個々のセグメントの厚さの１／２より小さく形成されていることを特徴とする回転電機の電機子。
8. 請求項２〜７に記載した何れかの回転電機の電機子において、
   前記ブラシ摺接面に凹設された複数の溝は、切削あるいは押圧による塑性加工により形成されていることを特徴とする回転電機の電機子。
9. 請求項１〜８に記載した何れかの電機子をスタータモータに適用したことを特徴とする自動車用スタータ。

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