JP2006333609A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の整流子５とブラシ９との接触状態（摺動状態）を安定化させる上で、加工コストを低減でき、且つ生産性を向上できる技術を提供する。
【解決手段】整流子面には、整流子５の周方向に複数の凹部７と凸部８が設けられている。但し、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さは、ブラシ摺動幅Ｂの１／３以下に設定されている。
これにより、ブラシ摺動面に対する凸部８での面圧が大きくなるため、ブラシ摺動面が平面状態であっても、無負荷回転状態で連続通電による回転作動を実施することにより、整流子面の凹凸形状に合う様にブラシ摺動面の形状を馴染ませることができる。その結果、ブラシ摺動面に予め精度の高い凹凸形状を加工する必要がないため、加工コストを低減でき、且つ生産性を向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、整流子とブラシを有する電動機に関する。

従来、整流子とブラシとを有する電動機において、例えば、図８に示す様に、ブラシ１００が摺動する整流子１１０の表面（整流子面）に複数の溝１２０を略等間隔に形成して、整流子１１０とブラシ１００との接触状態（摺動状態）を安定化させることにより、電動機の性能向上を図る技術が知られている（特許文献１、２参照）。
特開昭６２−１１８７３２号公報 特開２００４−２２９３５２号公報

ところが、上記の公知技術では、整流子面上を摺動するブラシ１００の摺動面にも凹凸加工が必要となる。つまり、整流子面の凹凸形状に合わせて、予めブラシ１００の摺動面にも凹凸形状を加工する必要がある。また、加工精度が悪いと、却って整流子１１０とブラシ１００との接触状態が悪化する恐れがある。従って、ブラシ１００の摺動面に凹凸形状を加工する際に、高い加工精度が要求されるため、加工コストの増大を招くと共に、生産性が低下する要因にもなっている。
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、電動機の整流子とブラシとの接触状態（摺動状態）を安定化させる上で、加工コストを低減でき、且つ生産性を向上できる技術を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、電機子に設けられる整流子と、この整流子の表面上に配置され、電機子の回転によって整流子面上を摺動するブラシとを有し、整流子面には、周方向にそれぞれ一周する凹部と凸部とが設けられ、その凹部と凸部とが、整流子面の周方向と直交する方向に交互に複数箇所設けられている電動機であって、整流子面の周方向と直交する方向でブラシの摺動範囲内に含まれる全ての凸部の頂上面の幅を合計した長さをＬとし、整流子面上を摺動するブラシの摺動面において、ブラシの摺動方向に直交する方向のブラシの幅をＢとした時に、
Ｌ／Ｂ≦１／３………………（１）
上記（１）の関係が成立していることを特徴とする。

上記の構成によれば、整流子面が凹凸形状ではなく平滑な場合と比較すると、ブラシの摺動面（以下、ブラシ摺動面と呼ぶ）が整流子面の形状に馴染む前において、ブラシ摺動面に対して、整流子面に設けられた凸部での面圧が３倍以上と高くなる。このため、ブラシ摺動面が未加工（平面状態）であっても、所定時間（例えば約１分間）の連続通電による回転作動を実施すると、通電電流が凸部に集中して流れるため、凸部の形状に倣ってブラシ摺動面が摩耗することにより、整流子面の凹凸形状に合う様に、ブラシ摺動面の形状を馴染ませることができる。従って、ブラシ摺動面に特別な加工が無くても、製品出荷前の作動テストにおいて、短時間の連続通電による回転作動を行うだけで、整流子面の凹凸形状に合う様に、ブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。その結果、予めブラシ摺動面に精度の高い凹凸形状を加工する必要がないため、加工コストを低減でき、且つ生産性を向上できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した電動機において、整流子面に設けられた凸部の頂上部は、頂上面の面粗度が頂上面以外の部分の面粗度より粗く形成されていることを特徴とする。
この場合、凸部の頂上面の面粗度が粗いことから、ブラシ摺動面の初期摩耗が促進されるため、より短時間で、ブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した電動機において、整流子面に設けられた凸部は、整流子面の周方向と直交する方向の幅が、頂上面に向かって次第に狭くなる逆Ｖ字形状を有し、頂上面が尖っていることを特徴とする。
この構成によれば、ブラシ摺動面に対する凸部での面圧を最も高くできるので、さらに短時間で、ブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、整流子は、電機子軸の外周に円筒状に構成されていることを特徴とする。
この場合、整流子面が円筒形状となるため、凹部と凸部は、整流子面の軸方向に交互に複数箇所設けられる。

（請求項５の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、整流子は、電機子軸と直交する向きに構成されていることを特徴とする。
この場合、整流子面が電機子軸と直交する円板形状となるため、凹部と凸部は、それぞれ電機子軸を中心とする同心円状に交互に複数箇所設けられる。

（請求項６の発明）
請求項１〜５に記載した何れかの電動機は、内燃機関を始動するためのスタータモータであることを特徴とする。
スタータモータは、内燃機関を始動するために大きな始動トルクを発生する必要があるため、短時間に大電流が通電される。従って、連続通電による回転作動を実施した場合に、整流子面に設けられた凸部に大きな通電電流が集中的に流れるため、短時間の連続通電による回転作動（例えば１分程度の無負荷連続通電）を実施することで、整流子面の凹凸形状に対するブラシ摺動面の馴染みを完了させることが可能である。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

この実施例１は、内燃機関を始動するためのスタータモータに本発明の電動機を適用した一例であり、図１にスタータモータの電機子１を示す。
スタータモータは、図示しない界磁（永久磁石または界磁コイル）の内側に回転自在に支持される電機子１を有し、界磁と電機子１との間に作用する電磁力によって電機子１に回転力を発生する周知の直流電動機である。
電機子１は、電機子軸２と、この電機子軸２の外周に圧入状態でセレーション嵌合する電機子コア３と、この電機子コア３に巻線される電機子コイル４と、電機子軸２の一方の端部に設けられる整流子５とで構成される。

整流子５は、電機子軸２の外周に、絶縁材６に保持された複数の整流子片５０を円筒状に配置して構成され、個々の整流子片５０が、それぞれ電機子コイル４に機械的且つ電気的に接続されている。整流子片５０の表面（整流子面）には、図１に示す様に、整流子５の周方向に一周する複数の凹部７と凸部８とが形成されている。この凹部７と凸部８は、整流子５の軸方向（図示左右方向）に交互に連続して設けられ、隣合う凸部８と凸部８との間が略等間隔に設けられている。
この整流子５の外周には、複数のカーボンブラシ９が配置され、図示しないブラシスプリングにより整流子面に押圧されている。

整流子面に設けられた凸部８には、図２に示す様に、軸方向に所定の幅Ａを有する平坦な頂上面が残されている。
ここで、整流子面の軸方向において、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さをＬ（図２ではブラシ９の摺動範囲内に５本の凸部８が含まれるため、Ｌ＝５×Ａ）とし、整流子面の軸方向におけるブラシ９の幅（ブラシ摺動幅）をＢとした時に、下記（１）の関係が成立している。
Ｌ／Ｂ≦１／３………………（１）
すなわち、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さＬは、ブラシ摺動幅Ｂの１／３以下に設定されている。

（実施例１の効果）
上記の構成によれば、整流子面が凹凸形状ではなく平滑な場合、つまり整流子面に複数の凹部７と凸部８が形成されていない場合と比較すると、ブラシ９の摺動面が整流子面の形状に馴染む前において、電機子１の回転によって整流子面上を摺動するブラシ９の摺動面に対する凸部８での面圧が３倍以上と高くなる。このため、ブラシ摺動面が未加工（平面状態）であっても、連続通電による回転作動を実施すると、通電電流が凸部８に集中して流れるため、凸部８の形状に倣ってブラシ摺動面が摩耗することにより、整流子面の凹凸形状に合う様に、ブラシ摺動面の形状を馴染ませることができる。

なお、ブラシ摺動面が平面状態から整流子面の凹凸形状に合う様に馴染むまでの時間（以後、馴染み完了時間と呼ぶ）は、通電電流の大きさと、ブラシ摺動面に対する凸部８での面圧の大きさとに左右される。従って、通電電流の大きさが同じであれば、ブラシ摺動面に対する凸部８での面圧が大きくなる程、言い換えると、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さＬが小さくなる程、ブラシ形状の馴染み完了時間が短くなる。
実験データによれば、図３に示す様に、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さＬが、ブラシ摺動幅Ｂの１／３以下、つまり上記（１）の関係が成立すれば、１分以下の無負荷連続通電時間でブラシ形状の馴染みが完了する。

ところで、本発明の電動機が適用されるスタータモータは、内燃機関の始動に必要な回転力を発生するために大電流が通電されるため、連続通電時間が長くなると、スタータモータが加熱して焼損する恐れがある。従って、出来る限り無負荷連続通電時間を短くすることが望ましい。これに対し、実施例１に記載した電動機は、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さＬが、ブラシ摺動幅Ｂの１／３以下、つまり上記（１）の関係が成立しているので、無負荷連続通電時間を１分以下に抑えることができる。

これにより、ブラシ摺動面に予め特別な加工が無くても、製品出荷前の作動テストにおいて、短時間の連続通電（約１分）による回転作動を実施するだけで、整流子面の凹凸形状に対するブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。その結果、予めブラシ摺動面に精度の高い凹凸形状を加工する必要がないため、加工コストを低減でき、且つ生産性を向上できる。
また、無負荷連続通電時間を１分以下に抑えることができるので、スタータモータが異常加熱することはなく、安全に且つ短時間にブラシ形状の馴染みを完了させることができる。

図４は実施例２に係る電機子１の半断面図であり、図５は整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。
この実施例２に示す電機子１は、図４に示す様に、整流子５が電機子軸２と略直交する向きに構成されている。具体的には、電機子コア３のスロット３ａより軸方向外側に取り出された電機子コイル４の一部が電機子コア３の端面と略平行に配置され、整流子片５０として利用されている。

電機子コイル４は、電機子コア３のスロット３ａの数と同数の下層コイル体４０と上層コイル体４１とを有し、この下層コイル体４０の直線部４０ａと上層コイル体４１の直線部４１ａとを二層状態でスロット３ａに挿入して電機子コア３に組み立てた後、互いに異なるスロット３ａから取り出された下層コイル体４０の端部と上層コイル体４１の端部とを接合して形成される。

上層コイル体４１は、スロット３ａに挿入される直線部４１ａの一端から電機子コア３の端面と略平行に径方向内側へ延びるコイル端部４１ｂが設けられ、そのコイル端部４１ｂが整流子片５０として利用されている。
この整流子片５０の表面（整流子面）には、軸方向よりカーボンブラシ９が当接して、図示しないブラシスプリングにより整流子面に押圧されている。
整流子面を形成するコイル端部４１ｂの軸方向外側面には、電機子軸２を中心とする同心円状に複数の凹部７と凸部８が形成されている。この凹部７と凸部８は、整流子面の半径方向（図示上下方向）に交互に連続して設けられ、且つ隣合う凸部８と凸部８との間が略等間隔に設けられている。また、凸部８には、図５に示す様に、整流子面の半径方向に所定の幅Ａを有する平坦な頂上面が残されている。

ここで、整流子面の半径方向において、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さをＬ（図５ではブラシ９の摺動範囲内に５本の凸部８が含まれるため、Ｌ＝５×Ａ）とし、整流子面の半径方向におけるブラシ９の幅（ブラシ摺動幅）をＢとした時に、下記（１）の関係が成立している。
Ｌ／Ｂ≦１／３………………（１）
すなわち、ブラシ９の摺動範囲内に含まれる全ての凸部８の頂上面の幅Ａを合計した長さＬは、ブラシ摺動幅Ｂの１／３以下に設定されている。

（実施例２の効果）
この実施例２に示す電動機は、整流子５の構成が実施例１と異なるだけで、整流子面に複数の凹部７と凸部８とを設けて、その凹凸形状に対しブラシ形状を馴染ませることは同じである。つまり、実施例１と同様に、上記（１）の関係が成立しているので、ブラシ摺動面に予め特別な加工が無くても、製品出荷前の作動テストにおいて、短時間の連続通電（約１分）による回転作動を実施するだけで、整流子面の凹凸形状に対するブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。その結果、予めブラシ摺動面に精度の高い凹凸形状を加工する必要がないため、加工コストを低減でき、且つ生産性を向上できる。また、無負荷連続通電時間を１分以下に抑えることができるので、スタータモータが異常加熱することはなく、安全に且つ短時間にブラシ形状の馴染みを完了させることができる。

図６および図７はそれぞれ整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。
この実施例３では、実施例１に記載した円筒型の整流子５、および実施例２に記載したフェイス型の整流子５において、それぞれ凸部８の形状が、図６及び図７に示す様に、凸部８の先端に向かって次第に狭くなる逆Ｖ字形状を有し、凸部８の先端が尖っていることを特徴とする。つまり、実施例１及び実施例２に記載した凸部８の頂上面の幅Ａが、限りなく「０」に近い状態である。
この構成によれば、ブラシ摺動面に対する凸部８での面圧をより高くできるので、さらに短時間（１分以下）で、整流子面の凹凸形状に対するブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。

この実施例４では、整流子面に設けられる凸部８の頂上面の面粗度が、頂上面以外の部分の面粗度より粗く形成されていることを特徴とする。
この場合、凸部８の頂上面の面粗度が粗いことから、ブラシ摺動面の初期摩耗が促進されるため、より短時間で、整流子面の凹凸形状に対するブラシ摺動面の馴染みを完了させることができる。

（変形例）
実施例１では、本発明の電動機をスタータモータに適用した一例を説明したが、スタータモータに限定されるものではなく、整流子５とブラシ９を有する電動機に広く適用できる。
実施例２に記載した電動機は、電機子コイル４の一部（上層コイル体４１のコイル端部４１ｂ）を整流子片５０として利用しているが、整流子片５０を電機子コイル４とは別部材によって構成することも可能である。

スタータモータに用いられる電機子の半断面図である（実施例１）。 実施例１に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。 ブラシ摺動面の馴染み完了時間を示すグラフである。 スタータモータに用いられる電機子の半断面図である（実施例２）。 実施例２に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。 実施例３に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。 実施例３に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。 従来技術に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大図である。

符号の説明

１ 電機子
２ 電機子軸
５ 整流子
７ 凹部
８ 凸部
９ ブラシ
Ａ 凸部の頂上面の幅
Ｂ ブラシ摺動幅

Claims (6)

1. 電機子に設けられる整流子と、
   この整流子の表面（整流子面と呼ぶ）上に配置され、前記電機子の回転によって前記整流子面上を摺動するブラシとを有し、
   前記整流子面には、周方向にそれぞれ一周する凹部と凸部とが設けられ、その凹部と凸部が、前記整流子面の周方向と直交する方向に交互に複数箇所設けられている電動機であって、
   前記整流子面の周方向と直交する方向で前記ブラシの摺動範囲内に含まれる全ての前記凸部の頂上面の幅を合計した長さをＬとし、
   前記整流子面上を摺動する前記ブラシの摺動面において、前記ブラシの摺動方向に直交する方向の前記ブラシの幅をＢとした時に、
   Ｌ／Ｂ≦１／３………………（１）
   上記（１）の関係が成立していることを特徴とする電動機。
2. 請求項１に記載した電動機において、
   前記整流子面に設けられた前記凸部の頂上部は、前記頂上面の面粗度が頂上面以外の部分の面粗度より粗く形成されていることを特徴とする電動機。
3. 請求項１または２に記載した電動機において、
   前記整流子面に設けられた前記凸部は、前記整流子面の周方向と直交する方向の幅が、前記頂上面に向かって次第に狭くなる逆Ｖ字形状を有し、前記頂上面が尖っていることを特徴とする電動機。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、
   前記整流子は、電機子軸の外周に円筒状に構成されていることを特徴とする電動機。
5. 請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、
   前記整流子は、電機子軸と直交する向きに構成されていることを特徴とする電動機。
6. 請求項１〜５に記載した何れかの電動機は、内燃機関を始動するためのスタータモータであることを特徴とする電動機。
   

Images