JP2006304428A - 回転電機におけるブラシ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ブラシホルダにブラシとコイル弾機とを収容するよう構成された回転電機において、ブラシを歩留まりよく形成するとともに、ブラシの振動が低減された回転電機に構成する。
【解決手段】 コイル弾機１３を真円形状とするとともに、ブラシ７の基端に直交面７ｅと傾斜面７ｆとを形成する構成として、型材を用いてブラシ７を形成する場合に歩留まりのよい構成とする一方、傾斜面７ｆと直交面７ｅとの境界部位（段差部位）において押圧するコイル弾機１３による、径方向を向く分力ｆａのベクトル長さｆａ’をブラシ７の径方向長さＬａに設定したとき、周回り方向の分力ｆｂのベクトル長さｆｂ’を、直交面７ｅの周回り方向長さＬｓよりも大きくなるように設定する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、車両等に搭載されるアクチュエータを構成する電動モータ等の回転電機におけるブラシ構造の技術分野に属するものである。

一般に、この種回転電機のなかには、これが例えば電動モータである場合、モータ軸に外嵌するコンミテータ外周面に、外部電源からの電源を供給するブラシの先端を弾圧状に摺接する構成としたものがある。このものにおいて、弾機をコイル弾機とし、該コイル弾機を、ブラシとともにブラシホルダに収容する場合では、コイル弾機はブラシの基端に配設される。ところで、ブラシは、ブラシホルダ内を出没自在となるよう、ブラシホルダ内面とのあいだに僅かなクリアランスを存して収容されている。このため、回転するコンミテータに弾圧状に摺接するブラシは、前記弾圧力やコンミテータの回転力に基づいてブラシホルダ内でガタつき（振動）を生じ、異音を発生することがある。

この改善策として、ブラシの基端（コイル弾機押圧面）を、コンミテータの回転方向先側ほど外径側に位置する傾斜面として、コイル弾機の押圧力を、モータ軸の軸芯側に向くものだけでなく、コンミテータの回転方向先側を向く分力が発生するようにして、ブラシをブラシホルダのコンミテータ回転方向先側の側片に押し当てる状態でコンミテータに摺接させるように構成し、これによって、ブラシの振動を低減させるようにすることが提唱されている。
特開２０００−１４０９１号公報

ところで、型材を用いて傾斜面に形成される基端を有するブラシを形成する場合に、ブラシ基端に突当てられた型材を抜き取る際に、傾斜面の一端部（コンミテータ回転方向先側の端部）である鋭角部位が壊れてしまうことがある。このため、ブラシ形成における歩留まりが低下してコスト高になってしまうという問題が生じる。そこで、ブラシ基端の鋭角部位を予め直角状に成形して、型材を取り外すときに壊れ難くなるようにすることが提唱される。しかるに、このようにすると、ブラシ基端のコンミテータ回転方向先側部位に直交面が形成されることになり、このものにおいて、ブラシ基端に前記コイル弾機を配したとき、コイル弾機はブラシ基端の直交面と傾斜面とのあいだの段差状の部位に当接することになり、ブラシをコンミテータ回転方向先側に押圧するための分力を充分発揮できなくなるという問題があり、これらに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、回転軸に外嵌するコンミテータ外周面にブラシの先端が弾圧状に摺接してなる回転電機において、ブラシと、ブラシの基端を押圧するコイル弾機とをブラシホルダに収容するにあたり、前記コイル弾機を真円形状とするとともに、ブラシの基端に、コンミテータの回転方向先側に位置し、ブラシの周回り方向に対向する側面に直交する直交面と、該直交面に続き、直交面側ほど外径側に延出する傾斜面とを形成し、傾斜面を弾圧するコイル弾機により、ブラシはコンミテータの回転方向先側に向けて付勢されているものである。
そして、このようにすることにより、ブラシ形成における歩留まりを高められるものでありながら、ブラシの振動を低減して異音のない高性能な回転電機を提供できる。
請求項２の発明は、請求項１において、直交面の周回り方向長さは、傾斜面と直交面との段差部に作用するコイル弾機付勢力の周回り方向分力をベクトル変換したとき、該変換値よりも小さく設定されているものであり、このようにすることにより、ブラシのコンミテータ回転方向先側への付勢を確実に行うことができる。
請求項３の発明は、請求項１または２の何れか一項において、直交面の周回り方向長さは、ブラシの径方向長さ、ブラシの周回り方向長さ、傾斜面の直交面に対する傾斜角度、コイル弾機の半径とに基づいて設定されているものであり、このようにすることにより、ブラシとコイル弾機の形状の設定により、ブラシのコンミテータ回転方向先側への付勢を確実に行える。

請求項１の発明とすることにより、ブラシ形成における歩留まりを高め、かつ、ブラシ振動の低減を計れる。
請求項２の発明とすることにより、ブラシのコンミテータ回転方向先側への付勢が確実になる。
請求項３の発明とすることにより、ブラシのコンミテータ回転方向先側への付勢が確実になる。

つぎに、本発明の実施の形態について、図１〜図６の図面に基づいて説明する。
図面において、１はファンモータとして機能する電動モータ（回転電機）であって、該電動モータ１のモータ軸１ａは、一端が有底筒状のヨーク２の底部２ａに軸受２ｂを介して軸承され、ヨーク底部２ａから外方に突出する突出先端部にファンが設けられるように設定されている。そして、モータ軸１ａの他端は、ヨーク２の開口端を覆蓋するエンドブラケット３に軸受け３ａを介して軸承されている。前記モータ軸１ａは、エンドブラケット３側に位置してコンミテータ４が一体的に外嵌され、該コンミテータ４よりヨーク底部２ａ側部位に複数枚の鉄心５が外嵌されており、これら鉄心５の外周に複数のコイル５ａを巻装することにより回転子６が構成されている。前記各コイル５ａは、コンミテータ４に電気的に接続されており、後述するように、ブラシ７を介してコンミテータ４に外部電源を供給することによりコイル５ａへの通電がなされると、ヨーク２の内周面に固着された永久磁石２ｃにより形成される磁界に対して回転子６が回転するように設定されている。
尚、本実施の形態の電動モータ１は、モータ軸１ａが水平方向を向き、エンドブラケット３が起立する状態で取り付けられるように構成されている。

一方、ヨーク２の開口端には外径側にフランジ部２ｄが形成されており、該フランジ部２ｄと、エンドブラケット３の外径縁部に形成されたフランジ部３ｂとのあいだに、樹脂材を用いて平板リング状に一体型成形されたブラシホルダステー８の外径縁部８ａが挟持状に固定されている。前記ブラシホルダステー８は、中心部にモータ軸１ａが貫通する貫通孔８ｂが開設されているとともに、ヨーク２の筒内側を向く一方の円板面には、前記貫通孔８ｂの孔中心を基準として放射状となる位置関係で周回り方向四箇所にブラシホルダ９がそれぞれ設けられている。そして、これら各ブラシホルダ９にそれぞれブラシ７が収容され、各ブラシ７から引き出されたピグテール７ａは、ブラシホルダステー８に組み込まれた四枚の端子プレート１０にそれぞれ電気的に接続され、これら各端子プレート１０に外部引き出し用カプラ１１が接続されている。そして、該外部引き出し用カプラ１１に外部カプラ（図示せず）が接続され、これによって、ブラシ７への外部電源の供給がなされるように設定されている。

１２は、ブラシホルダ９を構成するためのホルダ金具であって、該ホルダ金具１２は、金属製板材をコ字形状に折曲することにより構成され、一対の対向する脚片が周回り方向に対向しており、これら脚片がコンミテータ４回転方向の先側に位置する先側脚片１２ａと、コンミテータ４の回転方向の後側に位置する後側脚片１２ｂとに構成されている。これら各脚片１２ａ、１２ｂの先端部には突片１２ｃが形成されており、各突片１２ｃは、ブラシホルダステー８を貫通して裏面側にカシメ固定されている。前記ホルダ金具１２の前記一対の脚片１２ａ、１２ｂ間に形成される側片は、ブラシホルダステー８と軸方向に対向しており、ブラシホルダステー８のブラシホルダ形成部位をブラシホルダ９を構成する底片８ｃとしたとき、ブラシホルダ９の上片１２ｄを構成するように設定されている。さらに、上片１２ｄの外径縁からは、ホルダステー８側に延出する外片１２ｅが形成されており、これら外片１２ｅ、上片１２ｄ、底片８ｃ、脚片１２ａ、１２ｂとの五側片によりブラシホルダ９が構成されている。

このように構成された各ブラシホルダ９には、それぞれ内径側に位置してブラシ７が収容され、これら各ブラシ７の内径側の先端部がコンミテータ４の外周面に対向するように配されるが、各ブラシホルダ９の外径側部位、即ちブラシ７の外径側にはコイル弾機１３が収容されており、これによって、ブラシ７はコイル弾機１３の付勢力を受けてコンミテータ４の外周面に弾圧状に摺接するように設定されている。

ここで、前記ブラシ７の形状は、周回り方向長さＬ１、軸方向長さＬ２としたとき、軸方向長さＬ２の方が長い（Ｌ２＞Ｌ１）直方体に形成されており、これに伴い、ブラシホルダ９の上片１２ｄと底辺８ｃとの周回り方向長さはＬ１より僅かに大きい長さに設定され、一対の脚片１２ａ、１２ｂの軸方向長さはＬ２より僅かに大きい長さに設定され、ブラシ７はブラシホルダ９内において径方向および軸方向の移動が自在となる状態で収容されている。尚、ブラシ７から引き出されるピグテール７ａは、周回り方向に対向する一対の側面７ｂ、７ｃのうちの一方の側面７ｂまたは７ｃから引き出されている。
そして、ブラシ７の内径側の端面（本発明の先端に相当する）７ｄは、コンミテータ４の外周面と略同様の曲率を有した円弧面（湾曲面）に形成されている。

一方、ブラシ７の外径側の端面（本発明の基端に相当する）は、コンミテータ４の回転方向先側に位置し、周回り方向に対向する一対の側面７ｂ、７ｃに対して直交する直交面７ｅが形成されている。さらに、直交面７ｅよりもコンミテータ４の回転方向後側には、直交面７ｅ側ほど外径側に延出する傾斜面７ｆが直交面７ｅに続いて形成されている。尚、直交面７ｅは、型材を用いてブラシ７を形成する際に、歩留まりを向上させるために形成されるものであることは前述した通りである。
また、コイル弾機１３は真円形状のものが採用されおり、コイル弾機１３の外径（直径）は、ブラシ７の周回り方向長さＬ１と略同様の寸法のものが用いられ、ブラシ７の軸方向長さＬ２よりも短いものに設定されている。
尚、本実施の形態では、ブラシホルダ９を構成する底片８ｃの外径側部位であるコイル弾機１３収納部位には、凹溝形状の突部８ｄが形成されていて、コイル弾機１３の蛇行を回避するように設定されている。

そして、このように基端に直交面７ｅと傾斜面７ｆとが形成されたブラシ７を真円形状のコイル弾機１３により付勢する場合に、ブラシ７には、コンミテータ４外周面側に向く付勢力と、コンミテータ４の回転方向先側に向く付勢力、即ち、ブラシ７をブラシホルダ９の先側脚片１２ａ側に押し付けるように作用する付勢力とが作用するように設定され、これによって、基端に直交面７ｅが形成されるものでありながら、ブラシ７がブラシホルダ９に押し付けられて、ブラシ７の振動の低減を図るようにしている。

そして、直交面７ｅが形成されたブラシ７をコイル弾機１３によりコンミテータ４の回転方向先側に向けて付勢するためには、ブラシ７の形状、および、コイル弾機１３とを、つぎの関係式を満たすような形状に構成することにより実現できる。
つまり、コイル弾機１３が傾斜面７ｆに当接してブラシ７を押圧する場合に、コイル弾機１３は、該傾斜面７ｆと直交面７ｅとの境界部位（段差部位）において押圧しており、該部位においては、コイル弾機１３が直接当接している点Ａ、Ｂ部位に集中して付勢力を発生している。そして、これら点Ａ、Ｂに作用する力ｆは、傾斜面に作用するＦベクトルとは異なる、径方向を向く力成分である分力ｆａおよびこれに直角な分力ｆｂを発生する。そして、ブラシ７の径方向長さをＬａ、ブラシ７の直交面７ｅの周回り方向長さをＬｓとしたとき、前記各分力の内、分力ｆｂは、ブラシをブラシホルダ側面に押し付ける力であり、その大きさは、
ｆａ：ｆｂ＜Ｌａ：Ｌｓ
であるので、
Ｌｓ＜ｆｂ／ｆａ×Ｌａ
となる必要がある。即ち、
ｆｂ／ｆａ×Ｌａ＝ｆｂ’
とすると、
（Ｌｓ＜ｆｂ’）の関係式が成立するように設定されている。

そして、前記関係式Ｌｓ＜ｆｂ’は、ブラシ７の形状、コイル弾機１３の形状に基づいた関係式に導くことができる。
即ち、傾斜面７ｆに作用するコイル弾機の付勢力をＦ、径方向の分力をＦａ、周回り方向の分力をＦｂとしたとき、周回り方向の分力Ｆｂは、傾斜面７ｆの直交面７ｅに対する傾斜角度をθとすると、
Ｆｂ＝Ｆ×ｓｉｎθ ・・・（１）
と表すことができる。また、図６（Ｃ）に示すように、コイル弾機１３の半径をｒ、コイル弾機中心から７ｆと７ｅの境界部位までの距離をｘ、ブラシ７の軸中心を通る基準線Ｍから接点Ａ、Ｂまでの距離をｒ’としたとき、点Ａ、Ｂにおける周回り方向の分力ｆｂは、
ｆｂ＝Ｆｂ×（１−ｒ’／ｒ） ・・・（２）
このとき、ｒ’＝（ｒ^２−ｘ^２）^１／２
ｘ＝Ｌ１／２−Ｌｓ
（Ｌ１はブラシの周回り方向長さ）
と示すことができ、該式（２）に式（１）を代入することにより、点Ａ、Ｂにおける周回り方向の分力ｆｂは、
ｆｂ＝Ｆ×ｓｉｎθ×（１−ｒ’／ｒ） ・・・（３）
と表すことができる。
一方、点Ａ、Ｂにおける径方向の分力ｆａは、
ｆａ＝（Ｆ^２−ｆｂ^２）^１／２ ・・・（４）
と表すことができる。
前記より、
ｆｂ’＝Ｌａ×ｆｂ／ｆａ ・・・（５）
となるので、式（５）に式（３）、（４）を代入することにより、
ｆｂ’＝Ｌａ×Ｆ×ｓｉｎθ×（１−ｒ’／ｒ）／（Ｆ^２ーｆｂ^２）^１／２
・・・（６）
と表すことができ、該式（６）に式（２）を代入することにより、
ｆｂ’＝Ｌａ×ｓｉｎθ×（１−ｒ’／ｒ）／（１−（ｓｉｎθ×（１−ｒ’／ｒ））^２）^１／２ ・・・（７）
と表すことができる。

これによって、周回り方向を向く分力ｆｂに基づくベクトル長さｆｂ’は、ブラシ７の径方向の長さＬａと、ブラシ７の周回り方向の長さＬ１と、ブラシ７の周回り方向中央部位から直交面７ｅと傾斜面７ｆとの段差部位までの距離ｘと、傾斜面７ｆの直交面７ｅに対する傾斜角度θと、コイル弾機１３の半径ｒに基づいて決定される数値とすることができ、従って、前記関係式Ｌｓ＜ｆｂ’を満たすようにブラシ７の径方向の長さＬａと、ブラシ７の周回り方向の長さＬ１と、ブラシ７の周回り方向中央部位から直交面７ｅと傾斜面７ｆとの段差部位までの距離ｘと、傾斜面７ｆの直交面７ｅに対する傾斜角度θと、コイル弾機１３の半径ｒと、そして、直交面７ｅの周回り長さＬｓとを設定することにより、前述したように、ブラシ７をコンミテータ４の回転方向先側に向けて付勢することができる。

つぎに、前記関係式Ｌｓ＜ｆｂ’を満たすブラシ７の形状の一例を示す。
ブラシ７の径方向の長さＬｓを１４．５ｍｍ、
ブラシ７の周回り方向の長さＬ１を５．６ｍｍ、
傾斜面７ｆの直交面７ｅに体する傾斜角度θを１４°、
直交面７ｅの周回り長さＬｓを１．０ｍｍとすると、
ブラシ７の周回り方向中央部位から直交面７ｅと傾斜面７ｆとの段差部位までの距離ｘは、
式、ｘ＝Ｌ１／２−Ｌｓ
から算出して、ｘ＝１．８ｍｍとし、
コイル弾機１３の半径ｒを２．５ｍｍ、
として、ブラシ７およびコイル弾機１３を構成する。そして、これらの数値を前記式（７）に代入すると、ｆｂ’＝１．０７６となり、Ｌｓ＝１．０よりも大きくなり、関係式Ｌｓ＜ｆｂ’を満足している。
前記各寸法に設定された形状のブラシ７、および、コイル弾機１３を電動モータ１に組み込んで完成品とし、このものについて、ブラシ７の異音、コンミテータ４のノイズを計測すると、それぞれのものが従来のものに比して低減されていることが確認され、さらには、初期特性のバラツキが低減されていることについても確認できた。

叙述の如く構成された本形態において、電動モータ１は、ブラシホルダ９内の各ブラシ７に電源供給がなされることに基づいて、これら各ブラシ７がブラシホルダ９内のコイル弾機１３による付勢を受けてコンミテータ４に弾圧状に摺接して回転子６を回転させる。この場合に、ブラシホルダ９に収容されるブラシ７は、型材を用いて形成されているが、傾斜面７ｆの周回り方向一端部に直交面７ｅを形成することにより、ブラシ７の形成歩留まりを向上させることができる。しかも、このものにおいて、ブラシ７を弾圧するコイル弾機１３を真円形状にしているため、コスト低下を図れるものであり、そのうえ、ブラシ７は、コイル弾機１３の付勢力によりコンミテータ４の回転方向先側に付勢されて、ブラシホルダ９の先側の脚片１２ａに押し付けられる状態で配されているので、ブラシ７の振動が低減されて、ブラシ７の異音を減少させることができるうえ、コンミテータ４のノイズの低減も図れる。さらには、初期特性のバラツキを低減することができて、高性能な電動モータ１とすることができる。

さらには、関係式Ｌｓ＜ｆｂ’を満足するための条件として、直交面７ｅの周回り長さＬｓを、ブラシ７の径方向の長さＬａ、ブラシ７の周回り方向の長さＬ１、ブラシ７の周回り方向中央部位から直交面７ｅと傾斜面７ｆとの段差部位までの距離ｘ、傾斜面７ｆの直交面７ｅに対する傾斜角度θ、コイル弾機１３の半径ｒの関係式から求められるようにしたので、ブラシ７とコイル弾機１３との形状を設定することにより、ブラシ７をコンミテータ４の回転方向先側に付勢することを確実に行えることになって、構成の明確化を果せる。

電動モータの一部断面正面図である。 電動モータの平面図である。 図３（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれブラシホルダステーにホルダ金具を組み込んだ状態の底面図、平面図である。 図３（Ｂ）のＸ−Ｘ断面図である。 図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれブラシの正面図、平面図、側面図、側面図である。 図６（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はそれぞれブラシの付勢状態を説明するパターン化された平面図、平面図、側面図である。

符号の説明

１ 電動モータ
２ ヨーク
４ コンミテータ
７ ブラシ
７ａ ピグテール
７ｅ 直交面
７ｆ 傾斜面
８ ブラシホルダステー
９ ブラシホルダ
１２ ホルダ金具
１２ａ 脚片
１３ コイル弾機

Claims (3)

1. 回転軸に外嵌するコンミテータ外周面にブラシの先端が弾圧状に摺接してなる回転電機において、ブラシと、ブラシの基端を押圧するコイル弾機とをブラシホルダに収容するにあたり、前記コイル弾機を真円形状とするとともに、ブラシの基端に、コンミテータの回転方向先側に位置し、ブラシの周回り方向に対向する側面に直交する直交面と、該直交面に続き、直交面側ほど外径側に延出する傾斜面とを形成し、傾斜面を弾圧するコイル弾機により、ブラシはコンミテータの回転方向先側に向けて付勢されている回転電機におけるブラシ構造。
2. 請求項１において、直交面の周回り方向長さは、傾斜面と直交面との段差部に作用するコイル弾機付勢力の周回り方向分力をベクトル変換したとき、該変換値よりも小さく設定されている回転電機におけるブラシ構造。
3. 請求項１または２の何れか一項において、直交面の周回り方向長さは、ブラシの径方向長さ、ブラシの周回り方向長さ、傾斜面の直交面に対する傾斜角度、コイル弾機の半径とに基づいて設定されている回転電機におけるブラシ構造。

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