JP2006340431A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動等によるブラシ８の浮き上がりを防止でき、ブラシ寿命に至るまで整流子５とブラシ８との安定した摺動状態を保つことができる技術を提供する。
【解決手段】ブラシ８の摺動範囲に含まれる複数の凹形状７には、その凹形状７を形成する両側面のうち、一方の側面に直壁面９（整流子面に対して略直角を成す壁面）が形成されている第１の凹形状７ａと、他方の側面に直壁面９が形成されている第２の凹形状７ｂとが設けられている。これにより、第１の凹形状７ａに形成された直壁面９と、第２の凹形状７ｂに形成された直壁面９とでブラシ８の動きが規制されるため、ブラシ８が摩耗してブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシ８が整流子面から浮き上がることを防止できる。その結果、ブラシ８の寿命に至るまで、整流子５とブラシ８との安定した摺動状態を保つことが可能である。
【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９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１参照）。
特開昭６２−１１８７３２号公報

ところが、上記の公知技術を有する電動機を、内燃機関を始動するためのスタータモータに適用した場合、以下の問題が発生する。
すなわち、整流子面に形成された溝１２０は、その両側面が略Ｖ字状に傾斜しているため、例えば、内燃機関のクランキング中に発生する振動により、整流子１１０またはブラシ１００が軸方向（図示左右方向）の荷重を受けると、溝側面の傾斜に沿ってブラシ１００が浮き上がり、整流子１１０とブラシ１００との摺動状態が悪化するため、安定した性能を維持できなくなる。

これに対し、ブラシ１００を整流子面に付勢するブラシスプリング（図示せず）の押圧力を高めることで、ブラシ１００の浮き上がりを防止することも考えられるが、ブラシ１００の摩耗が進行して寿命近くになると、必然的にブラシスプリングの押圧力も低下するため、ブラシ１００の浮き上がりを防止できなくなる。また、ブラシスプリングの押圧力を高めると、摺動ロスが大きくなり、出力特性が低下する問題を生じる。

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、ブラシの摩耗によりブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動等によるブラシの浮き上がりを防止でき、その結果、ブラシ寿命に至るまで、整流子とブラシとの安定した摺動状態を保つことが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（整流子面と呼ぶ）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、このブラシを整流子面に押圧するブラシスプリングとを有し、整流子面には、周方向に一周する凹凸形状が形成され、この凹凸形状が周方向と直交する方向に所定の間隔を置いて複数箇所に形成さ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凹凸形状のうち、少なくとも１箇所の凹部または凸部（第１の凹凸と呼ぶ）には、この第１の凹凸を形成する両側面のうち、少なくとも一方の側面全体または一部に、整流子面に対して略直角を成す壁面が形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、第１の凹凸の少なくとも一方の側面に形成される壁面（整流子面に対して略直角を成す壁面）によってブラシの動きが規制される。つまり、ブラシが整流子に対して摺動方向と直交する方向に荷重を受けた時に、少なくとも前記一方の側面に沿ってブラシが浮き上がる方向に分力が殆ど発生しないため、ブラシの摩耗に応じてブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシが整流子面から浮き上がることを抑制できる。その結果、ブラシ寿命に至るまで、整流子とブラシとの安定した摺動状態を保つことが可能である。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した電動機において、第１の凹凸以外にブラシの摺動範囲内に含まれる凹凸形状のうち、少なくとも１箇所の凹部または凸部（第２の凹凸と呼ぶ）には、この第２の凹凸を形成する両側面のうち、少なくとも他方の側面全体または一部に、整流子面に対して略直角を成す壁面が形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、第１の凹凸の少なくとも一方の側面に形成される壁面だけでなく、第２の凹凸の少なくとも他方の側面に形成される壁面（整流子面に対して略直角を成す壁面）によってもブラシの動きが規制される。つまり、ブラシが整流子に対して摺動方向と直交する方向に荷重を受けた時に、第１の凹凸の一方の側面および第２の凹凸の他方の側面に沿ってブラシが浮き上がる方向に分力が殆ど発生しないため、ブラシの摩耗に応じてブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシが整流子面から浮き上がることを防止できる。

（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、第１の凹凸には、両側面のうち他方の側面にも、その全体または一部に整流子面に対して略直角を成す壁面が形成されていることを特徴とする。
上記の構成では、第１の凹凸の両側面に形成される壁面（整流子面に対して略直角を成す壁面）によって、整流子に対してブラシの摺動方向と直交する方向への動きが規制される。つまり、ブラシが整流子に対して摺動方向と直交する方向に荷重を受けた時に、第１の凹凸の一方の側面と他方の側面に沿ってブラシが浮き上がる方向に分力が殆ど発生しないため、ブラシの摩耗に応じてブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシが整流子面から浮き上がることを防止できる。

（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、整流子面に対して略直角を成す壁面を直壁面と呼ぶ時に、ブラシの摺動範囲内に含まれる複数の凹凸形状のうち、一方の側面に直壁面が形成されている凹凸の数と、他方の側面に直壁面が形成されている凹凸の数とが略同数であることを特徴とする。
上記の構成では、一方の側面に直壁面が形成されている凹凸の数と、他方の側面に直壁面が形成されている凹凸の数とが略同数であるため、ブラシが整流子に対して摺動方向と直交する方向に荷重を受けた時に、一方の側面に形成された直壁面と、他方の側面に形成された直壁面とでブラシの動きが均等に規制されるため、ブラシの摩耗に応じてブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシが整流子面から浮き上がることを防止できる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの電動機において、ブラシの摺動範囲内に含まれる全ての凹凸には、それぞれの凹凸を形成する両側面に、整流子面に対して略直角を成す壁面が形成されていることを特徴とする。
上記の構成では、ブラシの摺動範囲内に含まれる全ての凹凸の両側面に、それぞれ整流子面に対して略直角を成す壁面が形成されているので、ブラシが整流子に対して摺動方向と直交する方向に荷重を受けた時に、より確実にブラシの動きを規制できる。その結果、ブラシの摩耗に応じてブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシが整流子面から浮き上がることを確実に防止できる。

（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、円筒状に形成される整流子面に対し、複数の凹凸形状が軸方向に所定の間隔（例えば等間隔）を保って形成される。

（請求項７の発明）
請求項１〜５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、電機子軸と直交する整流子面に対し、複数の凹凸形状が同心円状に所定の間隔（例えば等間隔）を保って形成される。

（請求項８の発明）
請求項１〜７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、内燃機関のクランキング中に発生する振動が整流子およびブラシに伝わるため、請求項１〜７に記載した何れかの技術を採用することによって、振動によるブラシの浮き上がりを防止でき、整流子とブラシとの摺動状態を安定的に維持できる。

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（整流子面と呼ぶ）には、図１に示す様に、整流子５の周方向に複数の凹形状７が形成されている。この複数の凹形状７は、整流子５の周方向と直交する軸方向（図示左右方向）に略等間隔に形成され、図２に示す様に、整流子５を径方向に切断した断面形状で見ると、隣合う凹形状７同士の間に残る凸部と凹形状７による凹部とが軸方向に交互に連続して形成されている。
整流子５の外周には、複数のカーボンブラシ８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。

次に、整流子面に形成された凹形状７について図２を基に詳述する。
整流子５の周方向に直交するブラシ８の摺動範囲、つまり図２に示すブラシ８の幅Ａの範囲内に含まれる複数の凹形状７（図２では１０個の凹形状７）には、その凹形状７を形成する両側面のうち、一方の側面に、整流子面に対して略直角を成す壁面（以下、直壁面９と呼ぶ）が形成されている第１の凹形状７ａと、他方の側面に直壁面９が形成されている第２の凹形状７ｂとが設けられている。
なお、上記の「整流子面に対して略直角」とは、整流子面に対する直壁面９の成す角度が８０度〜１００度の範囲内であることを意味している。

第１の凹形状７ａは、図２に示される１０個の凹形状７のうち、右側半分の５個の凹形状７であり、一方の側面に直壁面９が形成され、他方の側面は、凹形状７の外側に向かって一方の側面から遠ざかる方向に傾斜している。
第２の凹形状７ｂは、図２に示される１０個の凹形状７のうち、左側半分の５個の凹形状７であり、他方の側面に直壁面９が形成され、一方の壁面は、凹形状７の外側に向かって他方の側面から遠ざかる方向に傾斜している。

（実施例１の効果）
上記の構成では、ブラシ８の摺動範囲に含まれる全ての凹形状７には、一方の側面または他方の側面に直壁面９が形成され、且つ一方の側面に直壁面９が形成された第１の凹形状７ａと、他方の側面に直壁面９が形成された第２の凹形状７ｂとが同数であるため、第１の凹形状７ａに形成された直壁面９と、第２の凹形状７ｂに形成された直壁面９とでブラシ８の動きが左右均等に規制される。つまり、ブラシ８が整流子５に対して摺動方向と直交する方向（図２の左右方向）に荷重を受けた時に、それぞれの直壁面９に対してブラシ８が浮き上がる方向に分力が殆ど発生しない。その結果、ブラシ８が摩耗してブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシ８が整流子面から浮き上がることを防止できるため、ブラシ８の寿命に至るまで、整流子５とブラシ８との安定した摺動状態を保つことが可能である。

なお、第１の凹形状７ａの一方の側面に形成される直壁面９、および第２の凹形状７ｂの他方の側面に形成される直壁面９は、整流子面に対し９０度の角度に設けられていることが望ましい。但し、ブラシ８に対するブラシスプリングの押圧力は、図３に示す様に、ブラシ８が新品の状態から摩耗するに従って次第に小さくなるが、ブラシ寿命に至るまでブラシ８が摩耗した時でも、ブラシスプリングの押圧力が無くなることはない。従って、整流子面に対する直壁面９の角度が９０度でなくても、ブラシ８の浮き上がりを防止することは可能であり、実験データによれば、図３に示す様に、８０度〜１００度の範囲であれば、ブラシ８の寿命に至るまでブラシ８が摩耗した時でも、整流子面からブラシ８の浮き上がりを防止することは可能である。

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８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所定の間隔（例えば等間隔）を保って複数の凹形状７が形成されている。

また、整流子５の周方向に直交するブラシ８の摺動範囲、つまり図５に示すブラシ８の幅Ａの範囲内に含まれる複数の凹形状７（図５では８個の凹形状７）には、その凹形状７を形成する両側面のうち、一方の側面に直壁面９が形成されている第１の凹形状７ａと、他方の側面に直壁面９が形成されている第２の凹形状７ｂとが設けられている。
第１の凹形状７ａは、図５に示される８個の凹形状７のうち、下側半分（内径側）の４個の凹形状７であり、一方の側面に直壁面９が形成され、他方の側面は、凹形状７の外側に向かって一方の側面から遠ざかる方向に傾斜している。
第２の凹形状７ｂは、図５に示される８個の凹形状７のうち、上側半分（外径側）の４個の凹形状７であり、他方の側面に直壁面９が形成され、一方の壁面は、凹形状７の外側に向かって他方の側面から遠ざかる方向に傾斜している。

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形状７を設けて、その凹形状７の一方の側面または他方の側面に直壁面９を形成する構成は同じである。従って、実施例１と同様に、第１の凹形状７ａに形成された直壁面９と、第２の凹形状７ｂに形成された直壁面９とでブラシ８の動きを規制できるため、ブラシ８が摩耗してブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシ８が整流子面から浮き上がることを防止でき、その結果、ブラシ８の寿命に至るまで、整流子５とブラシ８との安定した摺動状態を保つことが可能である。

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、図６及び図７に示す様に、ブラシ８の摺動範囲に含まれる全ての凹形状７の両側面に直壁面９を形成した一例である。
この構成によれば、ブラシ８が整流子５に対して摺動方向と直交する方向に荷重を受けた時に、より確実にブラシ８の動きを規制できるため、ブラシ８の摩耗に応じてブラシスプリングの押圧力が低下しても、振動によりブラシ８が整流子面から浮き上がることを確実に防止できる。

（変形例）
実施例１〜実施例３では、ブラシ８の摺動範囲に含まれる全ての凹形状７に直壁面９が形成されている例を記載したが、全く直壁面９を有していない凹形状７が含まれていても良い。更に言えば、最小限、１個の凹形状７だけに直壁面９が形成されている場合でも、振動によるブラシ８の浮き上がりを抑制できる効果はある。
また、実施例１〜実施例３では、凹形状７の一方の側面または他方の側面の一部に直壁面９が形成されている例を記載したが、例えば、図８に示す様に、一方の側面または他方の側面の全体に直壁面９を形成することもできる。

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８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。 ブラシの摩耗とブラシスプリングの押圧力との関係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。 凹形状の形状を示す拡大断面図である（変形例）。 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 凹形状
７ａ 第１の凹形状
７ｂ 第２の凹形状
８ ブラシ
９ 直壁面（整流子面に対して略直角を成す壁面）

Claims (8)

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、
   このブラシを前記整流子面に押圧するブラシスプリングとを有し、
   前記整流子面には、周方向に一周する凹凸形状が形成され、この凹凸形状が前記整流子面の周方向と直交する方向に所定の間隔を置いて複数箇所に形成さ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前記凹凸形状のうち、少なくとも１箇所の凹部または凸部（第１の凹凸と呼ぶ）には、この第１の凹凸を形成する両側面のうち、少なくとも一方の側面全体または一部に、前記整流子面に対して略直角を成す壁面が形成され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、
   前記第１の凹凸以外に前記ブラシの摺動範囲内に含まれる前記凹凸形状のうち、少なくとも１箇所の凹部または凸部（第２の凹凸と呼ぶ）には、この第２の凹凸を形成する両側面のうち、少なくとも他方の側面全体または一部に、前記整流子面に対して略直角を成す壁面が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、
   前記第１の凹凸には、前記両側面のうち他方の側面にも、その全体または一部に前記整流子面に対して略直角を成す壁面が形成され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、
   前記整流子面に対して略直角を成す壁面を直壁面と呼ぶ時に、
   前記ブラシの摺動範囲内に含まれる複数の前記凹凸形状のうち、前記一方の側面に前記直壁面が形成されている凹凸の数と、前記他方の側面に前記直壁面が形成されている凹凸の数とが略同数であることを特徴とする電動機。
5. 請求項１〜４に記載した何れかの電動機において、
   前記ブラシの摺動範囲内に含まれる全ての前記凹凸形状には、それぞれの凹凸を形成する両側面に、前記整流子面に対して略直角を成す壁面が形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。
7. 請求項１〜５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。
8. 請求項１〜７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。
   

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