JP2007282362A - 回転電機用ブラシ及びこのブラシを用いた回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】スタータモータの初期性能を安定できるブラシ７を提供する。
【解決手段】ブラシ７は、抵抗値が異なる低抵抗材７ａと高抵抗材７ｂとを積層した２層構造を有し、整流子の回転方向に対し入口側に低抵抗材７ａが配置され、出口側に高抵抗材７ｂが配置されている。また、整流子の表面上を摺接するブラシ７の摺接面には、整流子の曲率半径に略等しいＲ面取りが施されている。但し、ブラシ７の周方向両側（整流子の回転方向に対する入口側と出口側）には、それぞれ平面部７ｃが残されている。また、ブラシ７の出口側に残された平面部７ｃの幅（＝入口側に残された平面部７ｃの幅）をｗ、高抵抗材７ｂの幅をＷとした時に、Ｗ＞ｗの関係が成立している。これにより、初期状態からブラシ７の高抵抗側（高抵抗材７ｂ）を整流子に当接させることができ、スタータモータの初期性能を安定させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に用いられる２層ブラシに関する。

従来、整流子を有する回転電機（例えば直流モータ）では、整流子に摺接するブラシから火花が発生する問題がある。この火花の発生を抑える手段として、特許文献１または特許文献２に示される２層ブラシが知られている。
この２層ブラシは、銅の含有量に応じて抵抗値が異なる低抵抗材と高抵抗材とを貼り合わせたもので、図７に示す様に、整流子１００の回転方向（図示矢印方向）に対し入口側に低抵抗材１１０を配置し、出口側に高抵抗材１２０を配置してブラシの接触抵抗を大きくすることにより、火花の発生を抑制できる。

ところで、電機子軸の外周に複数の整流子片を円筒状に配置して構成される円筒型整流子を有する回転電機では、初期から所定の出力性能を発揮すべく、整流子に摺接するブラシの摺接面に整流子の曲率半径に略等しいＲ面取りを実施したものがある。
但し、組み付け時の取り扱いによるブラシ角部の欠けを防止するために、ブラシの周方向全体ではなく、周方向の両側（入口側と出口側）にそれぞれ平面部を残した状態でＲ面取りが行われている。
特開昭５９−６６０８２号公報 特開平４−４９８３３号公報

ところが、上記の２層ブラシにＲ面取りを施した場合に、図８に示す様に、周方向の面取り幅が小さく、平面部の幅ｗが高抵抗材１２０の幅Ｗより大きくなると、初期状態で高抵抗材１２０が整流子１００に接触することはなく、低抵抗材１１０のみが複数の整流子片を跨いで接触する（図７、図９参照）。この場合、２層ブラシの効果（ブラシの出口側に高抵抗材１２０を配置することで火花の発生を抑制する効果）が得られず、初期の整流状態が悪化して、性能が不安定になる問題が生じる。
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、回転電機の初期性能を安定できるブラシの提供、及びこのブラシを用いた回転電機の提供にある。

（請求項１の発明）
本発明は、抵抗値の異なる低抵抗材と高抵抗材とを積層した２層構造を有し、整流子の回転方向に対し入口側に低抵抗材が配置され、出口側に高抵抗材が配置される回転電機用ブラシであって、整流子の表面上を摺接するブラシの摺接面には、整流子の回転方向に対する両側（入口側と出口側）にそれぞれ平面部を残した状態で、整流子の曲率半径に略等しいＲ面取りが施されており、出口側に残された平面部の幅をｗ、高抵抗材の幅をＷとした時に、Ｗ＞ｗ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、ブラシの摺接面にＲ面取りを施した状態で、Ｗ＞ｗの関係が成立しているので、初期状態からブラシの高抵抗側（高抵抗材）を整流子に当接させることができる。これにより、２層ブラシの効果を発揮でき、回転電機の初期性能を安定させることができる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した回転電機用ブラシにおいて、少なくとも出口側に残された平面部の角部に面取りが施されていることを特徴とする。
抵抗値の高い高抵抗材は、抵抗値の低い低抵抗材と比較して銅の含有量が少なく、曲げ強度が低いため、組み付け時の取り扱い等により、角部に欠けを生じる恐れがある。これに対し、少なくとも出口側に残された平面部の角部、すなわち高抵抗材の角部に面取りを行うことにより、高抵抗材の角部の欠けを防止できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した回転電機用ブラシを用いた回転電機であって、４極以上の電機子鉄心に電機子コイルを重ね巻きした電機子を有することを特徴とする。
極数と同じ並列回路数を有する電機子では、各ブラシの接触抵抗が異なると、並列回路の間で起電力が不均一となり、並列回路を形成する電機子コイルに循環電流が流れる要因となる。つまり、並列回路を繋ぐ複数のブラシ（２層ブラシ）のうち、高抵抗材が整流子に当接しているブラシと、当接していないブラシ（低抵抗材のみが整流子に当接しているブラシ）とが存在すると、両者の接触抵抗が異なるため、並列回路に循環電流が流れやすくなり、無負荷電流の増加を招く。
これに対し、本発明の請求項１または２に記載した回転電機用ブラシは、出口側に配置される高抵抗材が必ず整流子に当接しているので、全てのブラシの接触抵抗が同一となり、循環電流を低減できる効果がある。

（請求項４の発明）
請求項３に記載した回転電機は、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。
低電圧で大電流を流す小型のスタータモータでは、極数に等しい並列回路数を持つ重ね巻方式の電機子が有利である。

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ブラシを適用した一例である。
図１はＲ面取り形状を示すブラシ７の側面図、図２は整流子６に摺接するブラシ７の側面図である。
スタータモータ１は、図４に示す様に、ヨーク２の内周に界磁コイル３を有する界磁手段と、電機子コイル４を有する電機子５と、この電機子５に設けられる整流子６と、この整流子６に摺接するブラシ７等を備える。このスタータモータ１は、スタータ８のフロントハウジング９に電磁スイッチ１０と共に取り付けられ、モータ回路に設けられるメイン接点（図示せず）が電磁スイッチ１０により閉操作されると、車載バッテリより電力の供給を受けて電機子５に回転力を発生し、その回転力がピニオンギヤ１１に伝達される。

界磁コイル３は、ヨーク２の内周に固定される界磁鉄心１２の周囲に巻き付けられて、一端側がモータリード線１３を介して電磁スイッチ１０のモータ端子に接続され、他端側が正極側のブラシ７Ａ（図５参照）に接続されている。
電機子コイル４は、４極以上の電機子鉄心１４に重ね巻きされ、両端部がそれぞれ整流子６を構成するセグメント６ａ（図２参照）に接続されている。
整流子６は、電機子鉄心１４が固定される電機子軸１５の一端側に設けられ、その電機子軸１５の周囲に絶縁材１６を介して複数のセグメント６ａを円筒状に配置して構成される（図２参照）。

ブラシ７は、図２に示す様に、整流子６の外周面に配置され、ブラシスプリング（図示せず）により整流子６に押圧されている。このブラシ７は、銅粉を含有するカーボンブラシであり、銅の含有量に応じて抵抗値が異なる低抵抗材７ａと高抵抗材７ｂとを積層した２層構造を有し、整流子６の回転方向（図示矢印方向）に対し入口側に低抵抗材７ａが配置され、出口側に高抵抗材７ｂが配置されている。
また、整流子６の表面上を摺接するブラシ７の摺接面には、図１に示す様に、整流子６の曲率半径に略等しいＲ面取りが施されている。

但し、ブラシ７の周方向両側（整流子６の回転方向に対する入口側と出口側）には、それぞれ平面部７ｃが残されている。つまり、Ｒ面取りは、ブラシ７の周方向全体ではなく、周方向の両側にそれぞれ平面部７ｃを残した状態で実施されている。
また、図１に示す様に、ブラシ７の出口側に残された平面部７ｃの幅（＝入口側に残された平面部７ｃの幅）をｗ、高抵抗材７ｂの幅をＷとした時に、
Ｗ＞ｗ…………（１）
上記（１）の関係が成立している。

（実施例１の効果）
上記の構成によれば、ブラシ７の摺接面にＲ面取りを施した状態で、Ｗ＞ｗの関係が成立しているので、図３に示す様に、初期状態からブラシ７の高抵抗側（高抵抗材７ｂ）を整流子６に当接させることができる。これにより、２層ブラシの効果、即ち、ブラシ７の出口側に高抵抗材７ｂを配置することで火花の発生を抑制する効果を得ることができ、スタータモータ１の初期性能を安定させることができる。

また、本実施例のスタータモータ１は、４極以上の電機子鉄心１４に電機子コイル４を重ね巻きした電機子５を有している、つまり、図５に示す様に、極数と同じ並列回路数を有しているため、各ブラシ７（正極側のブラシ７Ａ、負極側のブラシ７Ｂ）の接触抵抗が異なると、並列回路間で起電力が不均一（例えば、ｅ１＜ｅ２）となり、並列回路を形成する電機子コイル４及び界磁コイル３に循環電流が流れる要因となる。
これに対し、実施例１に記載した２層ブラシ７は、整流子６の回転方向に対する出口側に高抵抗材７ｂが配置され、ブラシ７の出口側に残された平面部７ｃの幅ｗと、高抵抗材７ｂの幅Ｗとの間に上記（１）の関係が成立しているので、初期から高抵抗材７ｂが整流子６に当接している。その結果、全てのブラシ７の接触抵抗が同一となり、ブラシ７を介して界磁コイル３に流れる循環電流を低減できる効果がある。これにより、界磁起磁力の不均衡が助長されることはなく、無負荷電流の増加を防止できるので、特に低出力領域での出力低下を抑制できる。

図６は出口側の角部に面取りを設けたブラシ７の側面図である。
この実施例２に示すブラシ７は、図６に示す様に、整流子６の回転方向に対して出口側に残された平面部７ｃの角部に面取りが施されていることを特徴とする。
抵抗値の高い高抵抗材７ｂは、抵抗値の低い低抵抗材７ａと比較して銅の含有量が少なく、曲げ強度が低いため、組み付け時の取り扱い等により、角部に欠けを生じる恐れがある。これに対し、少なくとも出口側に残された平面部７ｃの角部、すなわち高抵抗材７ｂの角部に面取りを行うことにより、高抵抗材７ｂの角部の欠けを防止できる。
なお、ブラシ７の出口側だけでなく、入口側の角部にも面取りを実施しても良い。
また、図６では、ブラシ７の出口側角部にＣ面取りを施した例を示しているが、Ｒ面取りでも良い。

Ｒ面取り形状を示すブラシの側面図である（実施例１）。 整流子に摺接するブラシの側面図である（実施例１）。 ブラシと整流子との接触部を示す拡大図である（実施例１）。 スタータの一部断面を含む側面図である。 スタータモータの回路図である。 出口側の角部に面取りを設けたブラシの側面図である（実施例２）。 整流子に摺接するブラシの側面図である（従来技術）。 Ｒ面取り形状を示すブラシの側面図である（従来技術）。 ブラシと整流子との接触部を示す拡大図である（従来技術）。

符号の説明

１ スタータモータ（回転電機）
４ 電機子コイル
５ 電機子
６ 整流子
７ ブラシ
７ａ 低抵抗材
７ｂ 高抵抗材
７ｃ 平面部
１４ 電機子鉄心
ｗ 平面部の幅
Ｗ 高抵抗材の幅

Claims (4)

1. 抵抗値の異なる低抵抗材と高抵抗材とを積層した２層構造を有し、整流子の回転方向に対し入口側に前記低抵抗材が配置され、出口側に前記高抵抗材が配置される回転電機用ブラシであって、
   前記整流子の表面上を摺接する前記ブラシの摺接面には、前記整流子の回転方向に対する両側（入口側と出口側）にそれぞれ平面部を残した状態で、前記整流子の曲率半径に略等しいＲ面取りが施されており、
   前記出口側に残された前記平面部の幅をｗ、前記高抵抗材の幅をＷとした時に、
   Ｗ＞ｗ…………（１）
   上記（１）の関係が成立していることを特徴とする回転電機用ブラシ。
2. 請求項１に記載した回転電機用ブラシにおいて、
   少なくとも前記出口側に残された前記平面部の角部に面取りが施されていることを特徴とする回転電機用ブラシ。
3. 請求項１または２に記載した回転電機用ブラシを用いた回転電機であって、
   ４極以上の電機子鉄心に電機子コイルを重ね巻きした電機子を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項３に記載した回転電機は、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回転電機。
   

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