JP2007209119A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、この摺接面に摺接するブラシとを備えた回転電機において、コンミテータに対するブラシの接触位置のずれを抑え、充分な特性を安定的に確保するできる回転電機を提供することを目的とする。【解決手段】モータは、回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータ１１３を備えている。ブラシ１２０ａのコンミテータ１１３側の端面には、コンミテータ１１３の回転方向に対して軸心方向のコンミテータ１１３側に傾斜した傾斜面１２０ｍが形成されている。コンミテータ１１３との摩擦抵抗によって、ブラシ１２０ａがブラシホルダ１２０ｅ内で反回転方向側に傾いても、傾斜面１２０ｍによって、回転方向側に広くコンミテータ１１３と接触することができる。そのため、コンミテータ１１３に対するブラシ１２０ａの接触位置のずれが抑えられ、充分な特性を安定的に確保することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、この摺動面に摺動するブラシとを備え、一方向にのみ回転する回転電機に関する。

エンジンを始動させるスタータ用のモータとして、円柱状のコンミテータと、コンミテータの外周面に摺接するブラシとを備えたモータが広く用いられている。ブラシは、ブラシホルダによって、コンミテータの径方向に往復動可能に支持されている。ブラシとブラシホルダとの間には、ブラシを滑らかに往復動させるため、わずかな隙間が設けられている。そのため、ブラシがコンミテータに摺接すると、摩擦抵抗によってブラシホルダ内でブラシが傾き、コンミテータに対するブラシの接触位置がずれてしまう。それに伴って電流の進角が変化し、モータの特性も変動するという問題があった。

これに対し、コンミテータに対するブラシの接触位置のずれを抑え、特性を安定させることができるモータとして、例えば特許第２５９９７７８号公報に開示されている直流機がある。この直流機のブラシの摺接面は、コンミテータの直径よりも大きな直径の曲面によって形成されている。これにより、ブラシホルダ内でブラシが傾いたとしても、コンミテータへの接触位置が大きくずれることはなくなり、モータ特性の変動を抑えることができる。

ところで、近年、スタータの小型化及び低コスト化がより強く望まれている。それに伴って、従来とは構成の異なる、回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、この摺接面に摺接するブラシとを備えたスタータ用のモータが検討されている。このようなモータとして、例えば特許第２８０６２８０号公報に開示されている回転電機がある。この回転電機のコンミテータは、径方向に向かって渦巻き状に広がった電機子コイルの上層コイル端部によって構成されている。コンミテータの摺接面である上層コイル端部の平坦な表面は、軸心に対して直交して形成されている。また、ブラシは、エンドフレームに設けられたブラシホルダによって、軸方向に往復動可能に支持されている。当然、ブラシとブラシホルダとの間には、従来と同様に、わずかな隙間が設けられている。さらに、上層コイル端部の平坦な表面に摺接するため、ブラシの摺接面は、平面によって形成されている。

このため、例えば、前記隙間が大きくなりすぎた場合、ブラシが上層コイル端部の表面に摺接すると、摩擦抵抗によって、ブラシが、ブラシホルダ内で反回転方向側に傾いてしまう可能性がある。そして、ブラシが傾くと、ブラシの摺接面のうち反回転方向側の端部のみが片当りしてしまい、接触位置がずれるとともに、接触も不安定になる。それに伴って電流の進角が遅れ、充分な特性がでないという問題が懸念された。
特許第２５９９７７８号公報 特許第２８０６２８０号公報

しかし、コンミテータの摺接面に相当する上層コイル端部の表面は、軸心に対して直交しており、また、ブラシの摺接面は、平面によって形成されている。そのため、前述した直流機のような構成を用いてブラシの接触位置のずれを抑えることはできない。従って、ブラシの接触位置のずれに伴うモータ特性の低下を抑えることが困難であった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、この摺接面に摺接するブラシとを備えた回転電機において、コンミテータに対するブラシの接触位置のずれを抑え、充分な特性を安定的に確保することができる回転電機を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段及び発明の効果

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、ブラシのコンミテータ側の端面に、コンミテータの回転方向に対して回転軸の軸心方向のコンミテータ側に傾斜した傾斜面を形成することで、摺接時におけるブラシの接触位置のずれを抑えられることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の回転電機は、回転軸に配設され、回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、端面がコンミテータの摺接面に摺接するブラシと、ブラシの側面との間に隙間を有し、側面に沿ってブラシを回転軸の軸心方向に往復動可能に支持するブラシホルダと、ブラシを回転軸の軸心方向のコンミテータの摺接面側に付勢する付勢手段とを備え、ブラシからコンミテータを介して、コンミテータに接続された電機子コイルに電流を供給することで回転力を発生し、一方向にのみ回転する回転電機において、ブラシは、コンミテータ側の端面に、コンミテータの回転方向に対して回転軸の軸心方向のコンミテータ側に傾斜し、コンミテータの摺接面に摺接する傾斜面が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、この摺接面に摺接するブラシとを備えた回転電機において、コンミテータに対するブラシの接触位置のずれを抑え、回転電機の充分な特性を安定的に確保することができる。ブラシは、コンミテータに摺接すると、摩擦抵抗によって、ブラシホルダ内で反回転方向側に傾いてしまう。しかし、ブラシのコンミテータ側の端面には、コンミテータの回転方向に対して回転軸の軸心方向のコンミテータ側に傾斜した傾斜面が形成されているため、この傾斜面がコンミテータの摺接面に摺接する。そのため、ブラシのコンミテータ側の端面のうち、反回転方向側の端部のみで片当りするのではなく、回転方向側に広くコンミテータと接触することができる。これにより、コンミテータに対するブラシの接触位置のずれが抑えられ、回転電機の充分な特性を安定的に確保することができる。

ここで、ブラシは、コンミテータ側の端面に、全面に渡って傾斜面が形成されているよい。これにより、コンミテータに対するブラシの接触面積を充分に確保することができ、回転電機の特性の低下を確実に抑えることができる。また、傾斜面は、ブラシの側面に直交する平面に対して１度〜３度傾斜しているとよい。２度〜３度傾斜しているとより好ましい。これにより、傾斜面がコンミテータに確実に接触し、回転電機の特性の低下をより確実に抑えることができる。さらに、コンミテータは、回転軸の軸心に対して直交し、互いに所定間隔を隔て軸心側から遠心方向に渦巻き状に配置されている電機子コイルの軸心方向の端部によって構成してもよい。これにより、電機子コイルによってコンミテータを構成できるため、新たに設ける必要がなくなり、回転電機のコストを低減することができる。

本発明の回転電機は、エンジンを始動させるスタータ装置用の回転電機であってもよい。これにより、充分な特性を安定的に確保できるスタータ装置を構成することができる。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る回転電機を、車両に搭載されたエンジンを始動するスタータにおいて、スタータ用のモータに適用した例を示す。

まず、図１〜図３を参照して構成について説明する。ここで、図１は、本実施形態におけるスタータ用のモータの軸方向断面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図３は、図２におけるＢ−Ｂ矢視部分断面図である。

図１に示すように、モータ１（回転電機）は、固定子１０と、回転子１１と、ブラシ装置１２とから構成されている。

固定子１０は、磁束を発生するとともに、回転子１１及びブラシ装置１２を収容する部材である。固定子１０は、ケース１００と、複数の磁石１０１とから構成されている。ケース１００は、磁路の一部を構成するとともに、回転子１１及びブラシ装置１２を収容する磁性体からなる円筒状の部材である。ケース１００の後方端部には、開口部を覆うように略円板状のエンドプレート１０２が配設されている。磁石１０１は、磁束を発生する円弧板状の部材であり、ケース１００の内周面に周方向に等間隔で固定されている。

回転子１１は、ブラシ装置１２を介して供給された電流が、固定子１０の発生した磁束と鎖交することで回転力を発生する部材である。回転子１１は、回転軸１１０と、電機子コア１１１と、電機子コイル１１２と、コンミテータ１１３とから構成されている。

回転軸１１０は、金属からなる略円柱状の部材である。回転軸１１０の前方側端部には、スタータのピニオン（図略）に駆動力を伝達するためのギア１１０ａが形成されている。

電機子コア１１１は、磁路の一部を構成するとともに、電機子コイル１１２を収容する磁性体からなる円柱状の部材である。電機子コア１１１は、磁性体からなる板状の部材を積層して構成されている。電機子コア１１１には、軸心に沿って貫通孔１１１ａが形成されている。また、貫通孔１１１ａの周囲には、電機子コイル１１２を収容する軸心方向に貫通した複数のスロット１１１ｂが、周方向に等間隔で形成されている。電機子コア１１１は、貫通孔１１１ａを回転軸１１０に挿通させた状態で、回転軸１１０に固定されている。

電機子コイル１１２は、ブラシ装置１２を介して供給された電流が流れるコイル状に形成された部材である。電機子コイルは１１２は、複数の内側コイル片１１２ａと、複数の外側コイル片１１２ｂとから構成されている。

内側コイル片１１２ａは、導体からなる長方形板状のスロット収容部１１２ｃと、スロット収容部の両端部から垂直に延出する、同じく導体からなる略四角形板状の連結部１１２ｄ、１１２ｅとから構成されている。内側コイル片１１２ａの表面は、連結部１１２ｄ、１１２ｅの先端部を除いて絶縁されている。内側コイル片１１２ａは、連結部１１２ｄ、１１２ｅを電機子コア１１１の両端面に沿ってそれぞれ配置させるとともに、スロット収容部１１２ｃをスロット１１１ｂ内の軸心側に配置させた状態で電機子コア１１１に固定されている。

外側コイル片１１２ｂは、導体からなる長方形板状のスロット収容部１１２ｆと、スロット収容部１１２ｆの両端部から垂直に延出する、同じく導体からなる略四角形板状の連結部１１２ｇ、１１２ｈとから構成されている。外側コイル片１１２ｂの表面は、連結部１１２ｇの先端部及び連結部１１２ｈの後方側表面１１２ｉを除いて絶縁されている。外側コイル片１１２ｂは、連結部１１２ｇ、１１２ｈを内側コイル片１１２ａの連結部１１２ｄ、１１２ｅの表面に沿ってそれぞれ配置させるとともに、スロット収容部１１２ｆをスロット１１１ｂ内の反軸心側に配置させた状態で電機子コア１１１に固定されている。このとき、連結部１１２ｈは、図２に示すように、互いに所定間隔を隔て、軸心側から遠心方向に渦巻き状に傾斜するように配置されている。

図１において、外側コイル片１１２ｂの連結部１１２ｇ、１１２ｈの先端部は、それぞれ異なるスロット１１１ｂに収容された内側コイル片１１２ａの連結部１１２ｄ、１１２ｅの先端部に接続されている。これにより、コイル状に形成された電機子コイル１１２が構成される。また、外側コイル片１１２ｂの連結部１１２ｈの後方側表面１１２ｉは、回転軸１１０の軸心に直交する平面となるように加工される。これにより、外側コイル１１２ｂの連結部１１２ｈによって、回転軸１１の軸心に対して直交する摺動面を有するコンミテータ１１３が構成される。

このように構成された回転子１１は、図１に示すように、電機子コア１１１の外周面を、磁石１０１の内周面と所定間隔を隔てて対向させた状態で、スタータのハウジング（図略）に配設されたベアリング１１０ｂと、エンドプレート１０２に配設されたベアリング１１０ｃとを介して、回転可能に支持されている。

図１及び図２に示すように、ブラシ装置１２は、回転子１１に、電流を供給する装置である。ブラシ装置１２は、ブラシ１２０ａ〜１２０ｄと、ブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈと、スプリング１２０ｉ〜１２０ｌ（付勢手段）とから構成されている。

ブラシ１２０ａ〜１２０ｄは、外部からの電流をコンミテータ１１３を介して電機子コイル１１２に供給する部材である。ブラシ１２０ａ〜１２０ｄは、導電性を有する、例えばカーボンからなる台形柱状の部材である。

ブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈは、ブラシ１２０ａ〜１２０ｄを側面に沿って回転軸１１０の軸心方向に往復動可能に支持する部材である。ブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈは、絶縁性を有する、例えば樹脂からなり、ブラシ１２０ａ〜１２０ｄの側面との間にわずかな隙間を有する台形筒状の部材である。ブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈは、互いに所定間隔を隔て対向し、外側コイル片１１２ｂの連結部１１２ｈと同様に、軸心側から遠心方向に渦巻き状に傾斜するように配置され、エンドフレーム１０２の前方側端面に固定されている。

スプリング１２０ｉ〜１２０ｌは、ブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈによって支持されたブラシ１２０ａ〜１２０ｄを前方側に付勢する部材である。スプリング１２０ｉ〜１２０ｌは、一端部を絶縁した状態でエンドフレーム１０２に当接させるとともに、他端部をブラシ１２０ａ〜１２０ｄの後方側端面当接させた状態でブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈ内に収容されている。

ブラシ１２０ａ〜１２０ｄは、ブラシホルダ１２０ｅ〜１２０ｈ内に軸心方向に往復動可能に収容された状態で、スプリング１２０ｉ〜１２０ｌによって前方側に付勢され、コンミテータ１１３に当接している。

ここで、ブラシ１２０ａのコンミテータ１１３側の端面には、図３に示すように、コンミテータ１１３の回転方向に対して軸心方向のコンミテータ１１３側に傾斜した傾斜面１２０ｍが、全面に渡って形成されている。傾斜面１２０ｍは、ブラシ１２０ａの側面に直交する平面、つまり、コンミテータ１１３の摺接面に対して１度〜３度傾斜するように設定されている。ブラシ１２０ｂ〜１２０ｄにおいても同様である。

次に、図１〜図５を参照して具体的動作について説明する。ここで、図４は、ブラシの摺接状態を説明する説明図である。図５は、従来のブラシにおける摺接状態を説明する説明図である。

図１において、イグニッションスイッチ（図略）がオンされると、バッテリ（図略）からブラシ１２０ａ〜１２０ｄ、コンミテータ１１３を介して電機子コイル１１２に電流が供給される。電機子コイル１１２に流れる電流が磁石１０１からの磁束と鎖交することで回転力を発生し、回転子１１が回転する。このとき、ブラシ１２０ａは、コンミテータ１１３の摺接面に摺接すると、摩擦抵抗によって、図３に示す状態から、図４に示すように、ブラシホルダ１２０ｅ内で反回転方向側に傾く。

しかし、ブラシ１２０ａのコンミテータ１１３側の端面には、コンミテータ１１３の回転方向に対して軸心方向のコンミテータ１１３側に傾斜した傾斜面１２０ｍが、全面に渡って形成されている。そのため、図５に示すように、従来のブラシ１２０ａ’において見られた、反回転側の端部のみが片当りすることはなく、図４に示すように、傾斜面１２０ｍ全体がコンミテータ１１３の摺接面に摺接する。ブラシ１２０ｂ〜１２０ｄにおいても同様である。これにより、接触位置がずれることも、接触が不安定になることもなく、モータ１は、所定の回転力を安定して継続的に出力する。この回転力は、回転軸１１０のギア１１０ａを介してエンジン（図略）に伝達され、エンジンが始動する。

エンジンが始動し、イグニッションスイッチがオフされると、バッテリからの電流の供給が遮断されモータ１は停止する。モータ１が停止することでスタータは動作を完了する。

最後に、具体的効果について説明する。モータ１によれば、コンミテータ１１３に対するブラシ１２０ａ〜１２０ｄの接触位置のずれを抑え、充分な特性を安定的に確保することができる。ブラシ１２０ａは、コンミテータ１１３に摺接すると、摩擦抵抗によって、ブラシホルダ１２０ｅ内で反回転方向側に傾いてしまう。しかし、ブラシ１２０ａのコンミテータ１１３側の端面には、コンミテータ１１３の回転方向に対して回転軸１１０の軸心方向のコンミテータ１１３側に傾斜した傾斜面１２０ｍが形成されているため、この傾斜面１２０ｍがコンミテータ１１３の摺接面に摺接する。そのため、従来のように、ブラシ１２０ａ〜１２０ｄのコンミテータ１１３側の端面のうち、反回転方向側の端部のみで片当りするのではなく、図４に示すように、回転方向側に広くコンミテータ１１３と接触することができる。ブラシ１２０ｂ〜１２０ｄにおいても同様である。これにより、コンミテータ１１３に対するブラシ１２０ａ〜１２０ｄの接触位置のずれが抑えられ、充分な特性を安定的に確保することができる。また、傾斜面は、ブラシ１２０ａ〜１２０ｄのコンミテータ１１３側の端面に、全面に渡って形成されているため、コンミテータ１１３に対するブラシ１２０ａ〜１２０ｄの接触面積を充分に確保することができ、モータ１の特性の低下を確実に抑えることができる。さらに、図３に示すように、コンミテータ１１３の摺接面に対する傾斜面１２０ｍの傾斜角を、１度〜３度に設定することで、図６に示すように、傾斜面を設けない場合（傾斜角０度）に比べ、モータ１の出力の低下をより確実に抑えることができる。

また、外側コイル片１１２ｂの連結部１１２ｈによってコンミテータ１１３を構成することで、コンミテータを新たに設ける必要がなくなり、モータ１のコストを低減することができる。

さらに、モータ１によれば、充分な特性を安定的に確保できるスタータを構成することができる。

本実施形態におけるスタータ用のモータの軸方向断面図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図２におけるＢ−Ｂ矢視部分断面図である。 ブラシの摺接状態を説明する説明図である。 従来のブラシにおける摺接状態を説明する説明図である。 傾斜面の傾斜角度に対するモータ出力の関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・モータ（回転電機）、１０・・・固定子、１００・・・ケース、１０１・・・磁石、１０２・・・エンドプレート、１１・・・回転子、１１０・・・回転軸、１１０ａ・・・ギア、１１０ｂ、１１０ｃ・・・ベアリング、１１１・・・電機子コア、１１１ａ・・・貫通孔、１１１ｂ・・・スロット、１１２・・・電機子コイル、１１２ａ・・・内側コイル片、１１２ｂ・・・外側コイル片、１１２ｃ、１１２ｆ・・・スロット収容部、１１２ｄ、１１２ｅ、１１２ｇ、１１２ｈ・・・連結部、１１２ｉ・・・後方側表面、１１３・・・コンミテータ、１２・・・ブラシ装置、１２０ａ〜１２０ｄ・・・ブラシ、１２０ｅ〜１２０ｈ・・・ブラシホルダ、１２０ｉ〜１２０ｌ・・・スプリング（付勢手段）、１２０ｍ・・・傾斜面

Claims (5)

1. 回転軸に配設され、該回転軸の軸心に対して直交する摺接面を有するコンミテータと、端面が該コンミテータの該摺接面に摺接するブラシと、該ブラシの側面との間に隙間を有し、該側面に沿って該ブラシを該回転軸の該軸心方向に往復動可能に支持するブラシホルダと、該ブラシを該回転軸の該軸心方向の該コンミテータの該摺接面側に付勢する付勢手段とを備え、該ブラシから該コンミテータを介して、該コンミテータに接続された電機子コイルに電流を供給することで回転力を発生し、一方向にのみ回転する回転電機において、
   前記ブラシは、前記コンミテータ側の前記端面に、前記コンミテータの回転方向に対して前記回転軸の前記軸心方向のコンミテータ側に傾斜し、前記コンミテータの前記摺接面に摺接する傾斜面が形成されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記ブラシは、前記コンミテータ側の前記端面に、全面に渡って前記傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記傾斜面は、前記ブラシの側面に直交する平面に対して１度〜３度傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記コンミテータは、前記回転軸の前記軸心に対して直交し、互いに所定間隔を隔て前記軸心側から遠心方向に渦巻き状に配置されている前記電機子コイルの前記軸心方向の端部によって構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の回転電機。
5. エンジンを始動させるスタータ装置用の回転電機であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の回転電機。

Images