JP2007189810A

JP2007189810A - モータ

Info

Publication number: JP2007189810A
Application number: JP2006005099A
Authority: JP
Inventors: Kenji Mori; 賢二森; Mitsuharu Morishita; 光晴森下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-26

Abstract

【課題】本発明はモータの整流子に摺接するブラシの短絡による整流障害を防止することを課題とする。
【解決手段】各ブラシ６０,６２,６４は、夫々回転方向に沿って抵抗値の低い第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａと、抵抗値の高い高抵抗層６０ｂ,６２ｂ,６４ｂと、第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃを積層した３層構造になっている。第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃの回転方向の寸法（厚さｔ２）は、絶縁部５９ａ〜５９ｆの間隔ｔ１よりも短く形成されている（ｔ２＜ｔ１）。そして、高抵抗層６０ｂ,６２ｂ,６４ｂの回転方向の寸法（厚さｔ３）は、絶縁部５９ａ〜５９ｆの間隔ｔ１よりも長く形成されている（ｔ３＞ｔ１）。このため、絶縁部５９ａ〜５９ｆが第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃを通過する際に各整流子片５８ａ〜５８ｆ間を短絡することがない。
【選択図】図２

Description

本発明はモータに係り、特に電機子に設けられた整流子片にブラシを摺接させて電機子コイルに通電するよう構成されたモータに関する。

回転駆動力を発生させるモータとしては、ブラシを有する直流モータが広く採用されている。この種のモータは、ハウジングの内壁に永久磁石を固定し、その内側に電機子コイルが巻装された電機子（「電機子アッセンブリ）とも呼ばれている）が回転可能に支持されている。そして、電機子コイルへ通電するため、電機子の整流子片に接触する第１、第２、第３ブラシが回転方向の異なる角度位置に設けられている。

第３ブラシは、電機子で使用される磁束を減少させることによって電機子の回転速度を高速化するものであり、第１、第２ブラシと異なる周方向位置（角度）に配置されている。そして、第１ブラシから第３ブラシへ切り替えることにより、電機子コイルの通電範囲を変えて電機子の回転速度の高速化を可能にしている。

上記第１〜第３ブラシを有する直流モータでは、電機子が回転するとき、その回転に伴って、整流子とコイルを流れる電流の向きが逆向きに変化される整流作用がなされるが、このとき、ブラシと整流子片とが相対的に逆向きに移動されると、整流子片間がブラシによって短絡されて短絡電流が流れる。

そして、整流子片とブラシとの接触が離れるときに急激な電流変化が起き、火花が発生されることがある。この整流子片とブラシとの相対的な移動に伴って発生するブラシ火花放電は、電機雑音（ノイズ）やブラシ磨耗の原因となり、ブラシによる整流障害を引き起こしていた。特に、第３ブラシと整流子片との間では、第３ブラシにより短絡される電機子コイル中に発生している誘起起電力により通電方向と逆向きの大きな短絡電流が瞬間的に流れたときに、ブラシ火花放電が発生する。

このような第３ブラシが整流子片間を跨ぐ際に生じる整流障害を解消する方法として高抵抗層の両側に低抵抗層を積層した３層構造のブラシを用いることにより、低抵抗層が整流子片間を跨ぐ際に高抵抗層により低抵抗層間の短絡を防止する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１７７８９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された３層構造のブラシを用いたモータでは、高抵抗層の両側に積層された低抵抗層間の短絡を防止するものであるが、低抵抗層が単独で整流子片間を跨ぐ際に整流子片間を短絡させてしまうといった現象が発生した場合、短絡による大電流が流れてラジオノイズを発生させてしまうという問題があった。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、整流子片間を摺接するブラシの低抵抗層による短絡を防止することで上記課題を解決したモータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような手段を有する。

本発明は、複数の整流子片に摺接して電機子のコイルに通電し、且つ回転方向に沿って高抵抗層の両側に低抵抗層を積層してなる３層構造とされたブラシを有するモータにおいて、前記低抵抗層の前記回転方向の幅を前記整流子片間の絶縁距離よりも短い寸法に形成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記高抵抗層の前記回転方向の幅を前記整流子片間の絶縁距離よりも長い寸法に形成したことを特徴とする。

また、前記ブラシは、回転方向の異なる位置で前記整流子片に摺接する第１、第２、第３ブラシを有しており、さらに、前記電機子を高速回転させるとき、前記第３ブラシの低抵抗層と電源とを接続すると共に前記第１ブラシの低抵抗層間を切り離し、前記電機子を低速回転させるとき、前記第１ブラシの低抵抗層と電源とを接続すると共に前記第３ブラシの低抵抗層間を切り離す切替回路を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、３層構造とされたブラシの低抵抗層の回転方向の幅を整流子片間の絶縁距離よりも短い寸法に形成したため、低抵抗層が整流子片間を跨ぐことがなく、低抵抗層が整流子片間を通過する際の短絡を防止することができ、低抵抗層と整流子との間でのブラシ火花発生を防止し、放電現象に伴うラジオノイズの発生も防止することが可能になる。

また、本発明によれば、電機子を低速回転させるとき、第１ブラシの低抵抗層と電源とを接続すると共に第３ブラシの低抵抗層間を切り離すため、高抵抗層の両側に積層された低抵抗層の夫々が隣接する整流子片に摺接した状態のときに低抵抗層に接続された回路を介して短絡することを防止でき、第３ブラシの短絡によるブラシ火花発生を防止し、ラジオノイズの発生を確実に防止することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明によるモータの一実施例を示す縦断面図である。図１に示されるように、モータ１０は、ハウジング２０と、ハウジング２０の径方向内側に固定された界磁用の永久磁石（固定子）３０と、電機子（回転子）４０とを有する。

ハウジング２０は、電機子４０を収納する収納ケース２２と、収納ケース２２の収納室２４を右方から閉塞する蓋部材２６とを組み合わせた構成である。収納ケース２２は、円筒状に形成されており、その軸方向中央の内壁には、全周に亘り永久磁石３０が固定されている。

そして、永久磁石３０の内周には、電機子４０が周方向に回転可能に挿入されている。収納ケース２２の収納室２４には、電機子４０を収納するための空間が形成されている。

次に、電機子４０の構成について説明する。電機子４０は、回転軸５０と、回転軸５０に固定される電機子コア５２と、電機子コア５２に巻装される各相の電機子コイル５４と、整流子５６とを有する。

また、電機子コア５２及び電機子コイル５４は、収納室２４の内壁に固定された永久磁石３０の内周面に近接対向するように取り付けられており、永久磁石３０の径方向内側で回転し、且つ軸方向に移動可能に支持されている。

さらに、整流子５６の外周には、回転方向の異なる位置で第１〜第３ブラシ６０,６２,６４（図１では第３ブラシがみえない）が摺接する。従って、第１ブラシ６０または第３ブラシ６４に通電された電流が整流子５６の各整流子片を介して電機子コイル５４を流れることにより電機子コア５２の周囲に磁束が発生し、永久磁石３０からの界磁束に対して電機子４０を回転させる回転力が発生する。

回転軸５０は、電機子コア５２の中心を貫通してＸａ方向に延在形成された左端（一端）５０ａと、Ｘｂ方向に延在形成された右端（他端）５０ｂとを有する。

また、回転軸５０の右端５０ｂは、蓋部材２６の凹部２６ａに嵌合された軸受２８により回転可能に軸承されており、その端部が蓋部材２６の挿通孔２６ｂに挿通されて蓋部材２６の外部に突出している。

さらに、回転軸５０の左端５０ａは、収納ケース２２の凹部２２ａに嵌合された軸受２９により回転可能に軸承されており、その端部が収納ケース２２の挿通孔２２ｂに挿通されて収納ケース２２の外部に突出している。

図２は整流子５６に摺接する各ブラシの配置を示す縦断面図である。図２に示されるように、整流子５６は、複数の整流子片５８ａ〜５８ｆを有する。この複数の整流子片５８ａ〜５８ｆは絶縁部５９ａ〜５９ｆを介して回転方向に取り付けられている。また、各絶縁部５９ａ〜５９ｆは、回転方向の間隔（絶縁距離）が所定寸法ｔ１に形成されており、各整流子片５８ａ〜５８ｆ間が直接短絡しないように離間させてある。

各整流子片５８ａ〜５８ｆの外周には、第１〜第３ブラシ６０,６２,６４が摺接するように配設されている。第１ブラシ６０と第２ブラシ６２とは、回転方向（Ａ方向）に１８０°間隔となる位置に取り付けられている。また、第３ブラシ６４は、第１ブラシ６０に対して回転方向（Ａ方向）に角度θずれた位置に取り付けられている。整流子５６が図２に示す回転位置にある場合、第１ブラシ６０が絶縁部５９ａを跨ぐ位置にあり、第２ブラシ６２が絶縁部５９ｄを跨ぐ位置にあり、第３ブラシ６４が絶縁部５９ｆを跨ぐ位置にある。

各ブラシ６０,６２,６４は、夫々回転方向に沿って抵抗値の低い第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａと、抵抗値の高い高抵抗層６０ｂ,６２ｂ,６４ｂと、第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃを積層した３層構造になっている。第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃは、同一材料からなる導電材により形成されている。そして、高抵抗層６０ｂ,６２ｂ,６４ｂは、第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃよりも高い抵抗値を有する絶縁材により形成されている。

第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃの回転方向の寸法（厚さｔ２）は、絶縁部５９ａ〜５９ｆの間隔ｔ１よりも短く形成されている（ｔ２＜ｔ１）。そして、高抵抗層６０ｂ,６２ｂ,６４ｂの回転方向の寸法（厚さｔ３）は、絶縁部５９ａ〜５９ｆの間隔ｔ１よりも長く形成されている（ｔ３＞ｔ１）。

このように、第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃの厚さｔ２が絶縁部５９ａ〜５９ｆの間隔ｔ１よりも小さいため、絶縁部５９ａ〜５９ｆが第１低抵抗層６０ａ,６２ａ,６４ａ及び第２低抵抗層６０ｃ,６２ｃ,６４ｃを通過する際に各整流子片５８ａ〜５８ｆ間を短絡することがない。そのため、各ブラシ６０,６２,６４による火花放電の発生が防止され、ラジオノイズの発生も防止される。

また、各ブラシ６０,６２,６４の摺接面は、各整流子片５８ａ〜５８ｆの外周の曲率半径と同径となる円弧状に形成されている。そのため、各整流子片５８ａ〜５８ｆは、Ａ方向に回転すると共に、各ブラシ６０,６２,６４の摺接面を摺接して電源（バッテリ）７０からの電流が供給される。

第１ブラシ６０及び第３ブラシ６４は、切替回路８０を介して電源７０と接続されている。第２ブラシ６２の低抵抗層６２ａ，６２ｃは、電源７０のマイナス側及びグランド（接地）に接続されている。

切替回路８０は、第１切替スイッチ８２と第２切替スイッチ８４とが並列に設けられており、第１切替スイッチ８２と第２切替スイッチ８４との切替を連動して行なえるように構成されている。

第１の切替スイッチ８２は、電源７０のプラス側に接続された固定接点８２ａと、固定接点８２ａに接続された可動接点８２ｂと、可動接点８２ｂの操作位置に応じて選択的に接続される固定接点８２ｃ〜８２ｄとを有する。また、第２の切替スイッチ８４は、第１の切替スイッチ８２と同様な構成であり、電源７０のプラス側に接続された固定接点８４ａと、固定接点８４ａに接続された可動接点８４ｂと、可動接点８４ｂの操作位置に応じて選択的に接続される固定接点８４ｃ〜８４ｄとを有する。

第１切替スイッチ８２の可動接点８２ｂと第２切替スイッチ８４の可動接点８４ｂとは、相互に連結されており、両スイッチが連動して同時に切替操作されるように構成されている。また、切替スイッチ８２,８４の固定接点８２ｃ,８４ｃは、何処にも接続されておらず、オフ接点である。また、切替スイッチ８２,８４の固定接点８２ｄ,８４ｄは、第１ブラシ６０の低抵抗層６０ａ，６０ｃに接続されている。また、切替スイッチ８２,８４の固定接点８２ｅ,８４ｅは、第３ブラシ６４の低抵抗層６４ａ，６４ｃに接続されている。

従って、可動接点８２ｂ，８４ｂが固定接点８２ｃ,８４ｃに接触する位置にあるときは、第１ブラシ６０及び第３ブラシ６４への通電が停止しているため、電機子４０は停止状態である。また、可動接点８２ｂ，８４ｂが固定接点８２ｄ、８４ｄに接触する位置に操作されたときは、第１ブラシ６０の低抵抗層６０ａ，６０ｃにのみ通電が行なわれ、且つ第３ブラシ６４への通電が停止しているため、低速回転モードに切り替わる。

また、可動接点８２ｂ，８４ｂが固定接点８２ｅ,８４ｅに接触する位置に操作されたときは、第３ブラシ６４の低抵抗層６４ａ，６４ｃにのみ通電が行なわれ、且つ第１ブラシ６０への通電が停止しているため、高速回転モードに切り替わる。

ここで、上記３層構造とされた各ブラシ６０,６２,６４の摺接面が各整流子片５８ａ〜５８ｆの外周を摺接する際の動作過程について図３(Ａ)〜図３（Ｅ）を参照して説明する。尚、本実施例においては、各ブラシ６０,６２,６４が同じ３層構造であるので、以下、第３ブラシ６４の摺接動作過程を例に挙げて説明する。

図３(Ａ)に示されるように、電機子４０がＡ方向に回転することにより、第３ブラシ６４の第２低抵抗層６４ｃが整流子片５８ａの外周を相対的に通過して絶縁部５９ａに至る。このとき、第２低抵抗層６４ｃは、回転方向の寸法（厚さｔ２）が絶縁部５９ａの間隔ｔ１よりも短いため、整流子片５８ａから離間した瞬間では隣接された整流子片５８ｂと非接触である。そのため、隣接された整流子片５８ａ,５８ｂ間は、低抵抗層６４ｃによって短絡されない。よって、第２低抵抗層６４ｃが整流子片５８ａ,５８ｂ間を短絡せず、ラジオノイズの発生を防止できる。

図３(Ｂ)に示されるように、さらに、電機子４０がＡ方向に回転すると、第３ブラシ６４の第２低抵抗層６４ｃが整流子片５８ｂの外周に摺接し、高抵抗層６４ｂが絶縁部５９ａに至る。このとき、高抵抗層６４ｂの回転方向の寸法（厚さｔ３）が絶縁部５９ａの間隔ｔ１よりも長いため、高抵抗層６４ｂの摺接面が絶縁部５９ａを覆うことになる。そして、第３ブラシ６４の第１低抵抗層６４ａは可動接点８２ａに相対的に摺接し、第３ブラシ６４の第２低抵抗層６４ｃは整流子片５８ｂに摺接している。

しかしながら、第３ブラシ６４の第１低抵抗層６４ａと第２低抵抗層６４ｃとの間には、高抵抗層６４ｂが介在しているので、低抵抗層６４ａ,６４ｃ間の短絡が防止される。

図３(Ｃ)に示されるように、さらに、電機子４０がＡ方向に回転すると、第３ブラシ６４の第２低抵抗層６４ｃ及び高抵抗層６４ｂが整流子片５８ｂの外周に摺接し、高抵抗層６４ｂが整流子片５８ｂと整流子片５８ａとを跨ぐ位置に相対的に移動している。
このとき、高抵抗層６４ｂの回転方向の寸法（厚さｔ３）が絶縁部５９ａの間隔ｔ１よりも長いため、高抵抗層６４ｂの摺接面が整流子片５８ｆ及び整流子片５８ａに摺接する。

しかしながら、第３ブラシ６４の高抵抗層６４ｂが単独で整流子片５８ｂと整流子片５８ａと間を接続するが、高抵抗の絶縁材からなる高抵抗層６４ｂが電流を流さないため、低抵抗層６４ａ,６４ｃ間の短絡が防止される。

図３(Ｄ)に示されるように、さらに、電機子４０がＡ方向に回転すると、高抵抗層６４ｂと第１低抵抗層６４ａの境界面が絶縁部５９ａに至る。このとき、第３ブラシ６４の第１低抵抗層６４ａは整流子片５８ａに摺接し、第３ブラシ６４の第２低抵抗層６４ｃは整流子片５８ｆに摺接している。

図３(Ｅ)に示されるように、さらに、電機子４０がＡ方向に回転すると、高抵抗層６４ｂが絶縁部５９ａを通過すると共に、低抵抗層６４ａが絶縁部５９ａに至る。このとき、第３ブラシ６４の第１低抵抗層６４ａは整流子片５８ａから相対的に離間し、第３ブラシ６４の第２低抵抗層６４ｃは整流子片５８ｆに摺接している。

しかしながら、第１低抵抗層６４ａは、回転方向の寸法（厚さｔ２）が絶縁部５９ａの間隔ｔ１よりも短いため、整流子片５８ａから相対的に離間した瞬間では整流子片５８ａ,５８ｂと非接触である。また、整流子片５８ｂには、高抵抗層６４ｂが接触しているが、高抵抗層６４ｂが電流を通さないので、隣接された整流子片５８ａ,５８ｂ間は、第２低抵抗層６４ｃによって短絡されない。よって、第２低抵抗層６４ｃが整流子片５８ａ,５８ｂ間を短絡することによるブラシ火花放電が防止され、ラジオノイズの発生を防止できる。

このように、第３ブラシ６４が整流子片５８ａ〜５８ｆを摺接する際に、第３ブラシ６４の両側に配置された低抵抗層６４ａ,６４ｃ間の短絡が高抵抗層６４ｂによって防止されると共に、低抵抗層６４ａ,６４ｃが整流子片５８ａ〜５８ｆに接触する直前あるいは低抵抗層６４ａ,６４ｃが整流子片５８ａ〜５８ｆから離間した直後に火花放電が発生することが防止され、ラジオノイズを発生が防止される。

さらに、前述した切替回路８０の切替スイッチ８２,８４は、低速回転モードのときには、第３ブラシ６４への接続を遮断して通電を停止しているため、例えば、図３（Ｃ）に示すように第３ブラシ６４の回転方向側の低抵抗層６４ａが整流子片５８ｂに接触し、反対側の低抵抗層６４ｃが整流子片５８ｂに接触しても低抵抗層６４ａと６４ｃとの間が切替回路８０による電気的な接続が遮断されているため、切替回路８０を介して短絡することも防止されている。

また、本実施例では、第３ブラシ６４だけでなく第１ブラシ６０及び第２ブラシ６２においても上記図３(Ａ)〜図３（Ｅ）に示すように整流子片間を通過する際の短絡が防止されるため、第１ブラシ６０及び第２ブラシ６２が絶縁部５９ａ〜５９ｆを跨ぐ動作過程で機械的な中性点のずれや電機子反作用による中性点のずれによる誘起電圧の短絡電流の発生を防止することが可能である。

尚、上記実施例では、第１〜第３ブラシを全て３層構造に構成すると共に、低抵抗層の回転方向の寸法を絶縁部の間隔ｔ１よりも短くしたが、これに限らず、少なくとも火花放電が生じやすい第３ブラシの３層構造のみをこのような構成としても、低抵抗層が整流子片間を通過する際の短絡を防止して、整流障害を防止することが可能である。

本発明によるモータの一実施例を示す縦断面図である。整流子５６に摺接する各ブラシの配置を示す縦断面図である。３層構造とされたブラシが整流子片の外周を摺接する際の動作過程を説明するための工程図である。

符号の説明

１０モータ
２０ハウジング
２２収納ケース
２６蓋部材
３０永久磁石
４０電機子
５０回転軸
５２電機子コア
５４電機子コイル
５８ａ〜５８ｆ整流子片
５９ａ〜５９ｆ絶縁部
６０第１ブラシ
６２第２ブラシ
６４第３ブラシ
６０ａ,６２ａ,６４ａ第１低抵抗層
６０ｂ,６２ｂ,６４ｂ高抵抗層
６０ｃ,６２ｃ,６４ｃ第２低抵抗層
８０切替回路
８２第１切替スイッチ
８２ｂ,８４ｂ可動接点
８４第２切替スイッチ

Claims

複数の整流子片に摺接して電機子のコイルに通電し、且つ回転方向に沿って高抵抗層の両側に低抵抗層を積層してなる３層構造とされたブラシを有するモータにおいて、
前記低抵抗層の前記回転方向の幅を前記整流子片間の絶縁距離よりも短い寸法に形成したことを特徴とするモータ。
前記高抵抗層の前記回転方向の幅を前記整流子片間の絶縁距離よりも長い寸法に形成したことを特徴とする請求項１に記載のモータ。
前記ブラシは、回転方向の異なる位置で前記整流子片に摺接する第１、第２、第３ブラシを有しており、
さらに、前記電機子を高速回転させるとき、前記第３ブラシの低抵抗層と電源とを接続すると共に前記第１ブラシの低抵抗層間を切り離し、前記電機子を低速回転させるとき、前記第１ブラシの低抵抗層と電源とを接続すると共に前記第３ブラシの低抵抗層間を切り離す切替回路を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ。