JP2008104298A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】整流子１５の耐遠心強度を安価な手段で向上できる回転電機を提供する。
【解決手段】整流子１５を構成するセグメント２３は、モールド樹脂２４に埋設されている部分にタブテール２３ｂが設けられている。また、モールド樹脂２４に埋設される軸方向の一端面には、軸方向に向かって略Ｖ字状に開いた凹部２３ｃが形成されている。さらに、セグメント２３の軸方向一端側にライザ部２３ｄが設けられ、このライザ部２３ｄに電機子コイルの端部がヒュージング結合されている。モールド樹脂２４は、軸方向の一端側にセグメント２３のブラシ接触面２３ａより外径が大きく形成されてライザ部２３ｄの内径側をモールドする径大部２４ａを有すると共に、この径大部２４ａより軸方向の反ライザ部側へ延長された肉盛り部２４ｂが設けられている。この肉盛り部２４ｂは、軸方向の反径大部側へ向かって外径が次第に小さくなるテーパ形状に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流子を有する回転電機に関する。

近年、車両に搭載される回転電機（特にスタータ）では、搭載スペースの限定、及び燃費向上を狙いとして、小型／軽量化が求められている。その達成手段の一例として、電機子コイルに平角線を採用して占積率の向上とトルクアップを図る方法がある。
ところで、電機子コイルを整流子と結線する場合、一般的には、整流子のライザ部に形成されたスロット内に電機子コイルの端部を挿入してヒュージング結合される。ここで、電機子コイルに平角線を採用した場合は、その平角線の断面長手方向をスロット内に挿入するため、電機子コイルに丸線を使用した場合と比較して、必然的にライザ部の外径が大きくなる。その結果、ライザ部の質量が増大して、耐遠心強度設計が困難になる。

そこで、整流子の耐遠心強度を向上させる手法として、特許文献１に開示された従来技術がある。この特許文献１に示される整流子は、各セグメントに設けられるライザ部の径方向内周側の端面から軸方向に突き出る突出部が設けられ、この突出部がモールド樹脂に埋設されている。また、各セグメントは、モールド樹脂に埋設される埋設部の軸方向両端部に略コ字型の凹部が形成され、この凹部に絶縁被覆された環状の金属バンドを挿着することで、各セグメントが強固に拘束されて、高い遠心強度が確保されている。
特開２００３−３４８７９９号公報

ところが、上記の特許文献１に開示された従来技術では、金属バンドを使用することによる部品点数の増加、及び製造工数の増加を招くため、コスト高となる問題があった。
これに対し、モールド樹脂に埋設される内径部にタブテールを設けることで遠心強度を確保したセグメントが知られている。このセグメントは、金属バンド等の別部品を使用する必要がないので、部品点数や製造工数の増加を招くことはなく、より安価に製造できる。しかし、前述した様に、電機子コイルに平角線を採用した場合は、ライザ部の外径が大きくなって質量が増大するため、ライザ部を介してモールド樹脂に加わる遠心力が大きくなる。その結果、ライザ部の内径側を保持しているモールド樹脂に応力集中が発生して亀裂が入り、遠心強度を確保できなくなるという問題が生じる。
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、整流子の耐遠心強度を安価な手段で向上できる回転電機を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、ブラシとの接触面（ブラシ接触面と呼ぶ）を形成する複数のセグメントと、この複数のセグメントと一体にモールド成形された絶縁部材とで構成され、この絶縁部材が電機子軸に固定される整流子を備え、セグメントは、絶縁部材にモールドされた埋設部にタブテールが設けられると共に、軸方向の一端側にブラシ接触面より径方向外側へ突出するライザ部が設けられ、このライザ部に電機子コイルの端部が電気的に接続される回転電機であって、絶縁部材は、軸方向の一端側に、ブラシ接触面より外径が大きく形成されてライザ部の内径側をモールドする径大部が設けられ、更に、径大部より軸方向の反ライザ部側へ延長された肉盛り部が設けられて、この肉盛り部と径大部とを合わせた軸方向の肉厚が、ライザ部の軸方向の肉厚の２倍以上に設定されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、絶縁部材の径大部より反ライザ部側に肉盛り部を設けたことで、ライザ部より軸方向一端側に形成される絶縁部材の断面積（径大部と肉盛り部とを合わせた断面積）が増大する。その結果、絶縁部材の機械的強度が大きくなり、破壊に対して絶縁部材の余裕度を確保できるので、整流子の耐遠心強度が向上する。
また、肉盛り部を設けた分だけ絶縁部材の体積が増加するため、絶縁部材の熱的余裕度が向上し、絶縁部材の熱劣化が抑制される。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した回転電機において、セグメントは、軸方向一端側の端面に凹部が形成され、この凹部が絶縁部材に埋設されていることを特徴とする。
この場合、セグメントの軸方向端面に形成された凹部が絶縁部材に埋設されている、つまり、凹部に絶縁部材が充填されているため、いわゆるアンカー効果によって耐遠心強度が向上する。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した回転電機において、電機子コイルは、断面矩形状の平角線を使用することを特徴とする。
電機子コイルに平角線を採用した場合、ライザ部の外径が大きくなることで、ライザ部の質量が増大するため、ライザ部を介して絶縁部材に加わるストレスも大きくなる。
これに対し、本発明では、絶縁部材に肉盛り部を設けることで、破壊に対して絶縁部材の余裕度を確保できるので、電機子コイルに平角線を採用した場合でも、整流子の遠心強度を確保できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの回転電機において、肉盛り部は、軸方向の反径大部側へ向かって外径が次第に小さくなるテーパ形状に設けられていることを特徴とする。
電機子コイルは、肉盛り部の径方向外側を通ってライザ部に接続されるため、肉盛り部の外径を必要以上に大きくすると、電機子コイルと肉盛り部とが干渉する恐れがある。これに対し、本発明では、肉盛り部の外径が軸方向の反径大部側へ向かって次第に小さくなるテーパ形状に設けられているので、ライザ部に接続される電機子コイルと肉盛り部との干渉を回避できる。
また、肉盛り部の外径をテーパ形状とすることにより、肉盛り部の外径と、その肉盛り部の径方向外側を通る電機子コイルとの間に所定の隙間を得ることができるので、ライザ部に接続される電機子コイルのコイルエンド部を成形する際に、その成形自由度が広がるため、コイルエンド部の作り易さにも貢献できる。

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では、回転電機の一例であるスタータについて説明する。
図１は整流子の半断面図、図２はスタータ１の半断面図である。
本実施例のスタータ１は、図２に示す様に、回転力を発生するモータ２と、このモータ２の回転を減速する減速装置３と、この減速装置３を介してモータ２の駆動トルクが伝達される出力軸４と、この出力軸４の外周にクラッチ５と一体化して配置されるピニオンギヤ６と、シフトレバー７を介してクラッチ５とピニオンギヤ６を反モータ方向（図２の左方向）へ押し出す働きを有すると共に、モータ２の通電回路（以下モータ回路と呼ぶ）に設けられるメイン接点（後述する）を開閉する電磁スイッチ８等より構成される。

モータ２は、磁気回路を形成する円筒状のヨーク９と、このヨーク９の内周に周方向等間隔に配置される複数の永久磁石１０と、この永久磁石１０の内周に所定のギャップを有して回転自在に配置される電機子１１とを有する周知の直流電動機である。
電機子１１は、回転力を出力する電機子軸１２と、この電機子軸１２の外周に嵌合して固定される電機子鉄心１３と、この電機子鉄心１３に巻回される電機子コイル１４と、電機子軸１２の後端部に固定される整流子１５（後述する）とを備え、この整流子１５の外周上にブラシ１６が配置される。なお、電機子コイル１４は、絶縁被膜に覆われた断面矩形状の平角線が使用され、電機子鉄心１３の外周に形成されたスロットの内部に上下二層に挿入されている。

減速装置３は、電機子軸１２と同軸上で減速できる周知の遊星歯車減速機であり、電機子１１の反整流子側に構成されている。
出力軸４は、電機子軸１２と同一軸線上に配置され、一端側の端部が軸受１７を介してハウジング１８に回転自在に支持され、他端側の端部が減速装置３に連結されている。
クラッチ５は、出力軸４の外周にヘリカルスプライン嵌合して組み付けられ、エンジン始動時に出力軸４の回転をピニオンギヤ６に伝達する。また、ピニオンギヤ６がエンジンによって回された時、つまりピニオンギヤ６の回転速度が出力軸４の回転速度を上回ると、ピニオンギヤ６の回転が出力軸４に伝わらない様に、両者間の動力伝達を遮断する一方向クラッチとして構成されている。

ピニオンギヤ６は、クラッチ５の反モータ側に配置され、クラッチ５と一体に出力軸４上を反モータ方向へ移動してエンジンのリングギヤ（図示せず）に噛み合った後、クラッチ５を介して伝達される回転力をリングギヤに伝達する。
電磁スイッチ８は、始動スイッチ（図示せず）の閉操作によって車載バッテリから通電される電磁コイル（図示せず）と、この電磁コイルの内側を可動するプランジャ（図示せず）とを有し、電磁コイルへの通電によって電磁石が形成されると、その電磁石にプランジャが吸引されてメイン接点を閉操作する。また、電磁コイルへの通電が停止して電磁石の吸引力が消滅すると、図示しないリターンスプリングの反力にプランジャが押し戻されてメイン接点を開操作する。

メイン接点は、２本の外部端子１９、２０を介してモータ回路に接続される一組の固定接点（図示せず）と、プランジャと一体に可動して一組の固定接点間を断続する可動接点（図示せず）とで形成され、この可動接点を通じて一組の固定接点間が導通することでメイン接点が閉状態となり、一組の固定接点間の導通が遮断されることでメイン接点が開状態となる。
２本の外部端子１９、２０は、バッテリケーブルを介して車載バッテリに接続されるＢ端子１９と、モータリード線２１を介して正極側のブラシ１６に接続されるＭ端子２０であり、共に電磁スイッチ８の樹脂カバー８ａに固定されている。

シフトレバー７は、ハウジング１８に揺動自在に支持されるレバー支点部７ａを有し、このレバー支点部７ａより一端側のレバー端部が電磁スイッチ８のプランジャに取り付けられたシフト用ロッド２２に連結され、レバー支点部７ａより他端側のレバー端部がクラッチ５に係合している。このシフトレバー７は、プランジャが電磁石に吸引されて、図２の右方向へ移動すると、シフト用ロッド２２に連結された一端側のレバー端部がプランジャに引かれて移動することにより、クラッチ５に係合する他端側のレバー端部がレバー支点部７ａを中心に揺動して、クラッチ５を反モータ方向へ押し出す働きを有する。

続いて、本発明に係る整流子１５の構成について説明する。
整流子１５は、図１に示す様に、ブラシ１６との接触面（ブラシ接触面２３ａと呼ぶ）を形成する複数のセグメント２３と、この複数のセグメント２３と一体にモールド成形された絶縁部材（モールド樹脂２４と呼ぶ）とで構成され、このモールド樹脂２４が電機子軸１２の後端外周に圧入等により固定されている。
セグメント２３は、図１（ｂ）に示す様に、周方向に等ピッチに配置され、その周方向に隣合うセグメント２３同士の間がモールド樹脂２４により絶縁されている。このセグメント２３には、モールド樹脂２４に埋設されている部分（埋設部と呼ぶ）にタブテール２３ｂが設けられている。また、モールド樹脂２４に埋設される軸方向の一端面には、軸方向に向かって略Ｖ字状に開いた凹部２３ｃが形成されている。

さらに、セグメント２３の軸方向一端側には、図１（ａ）に示す様に、ブラシ接触面２３ａより径方向外側へ突出するライザ部２３ｄが設けられている。このライザ部２３ｄには、径方向外側に開口するスロット２３ｅが形成されており、このスロット２３ｅに電機子コイル１４の端部が挿入され、例えばヒュージングによりライザ部２３ｄに電気的且つ機械的に結合されている（図３参照）。
モールド樹脂２４は、図１（ａ）に示す様に、軸方向の一端側にブラシ接触面２３ａより外径が大きく形成されてライザ部２３ｄの内径側をモールドする径大部２４ａを有すると共に、この径大部２４ａより軸方向の反ライザ部側へ延長された肉盛り部２４ｂが設けられている。この肉盛り部２４ｂは、軸方向の反径大部側へ向かって外径が次第に小さくなるテーパ形状に設けられている。
また、径大部２４ａと肉盛り部２４ｂとを合わせた軸方向の肉厚ｔａは、ライザ部２３ｄの軸方向の肉厚ｔｂの２倍以上に設定されている。

次に、スタータ１の作動を説明する。
始動スイッチの閉操作により、電磁スイッチ８の電磁コイルに通電されて電磁石が形成されると、その電磁石にプランジャが吸引されて、図２の右方向へ移動する。このプランジャの移動がシフトレバー７を介してクラッチ５に伝達されると、クラッチ５がピニオンギヤ６と一体に出力軸４上を反モータ方向へ移動して、ピニオンギヤ６の端面がリングギヤの端面に当接して停止する。

一方、プランジャの移動によってモータ回路のメイン接点が閉じると、バッテリからモータ２に給電されて電機子１１に回転力が生じる。この電機子１１の回転が減速装置３で減速されて出力軸４に伝達され、更に、出力軸４からクラッチ５を介してピニオンギヤ６に伝達される。その結果、ピニオンギヤ６が強制的に回され、リングギヤに噛み合い可能な位置まで回転してリングギヤに噛み合うことにより、ピニオンギヤ６からリングギヤにモータ２の駆動トルクが伝達されて、エンジンをクランキングする。

クランキングからエンジンが完爆して始動スイッチが開操作されると、電磁コイルへの通電が停止して吸引力が消滅する。これにより、リターンスプリングの反力でプランジャが押し戻されるため、メイン接点が開いてバッテリからモータ２への給電が停止され、電機子１１の回転が次第に減速して停止する。
また、プランジャが押し戻されると、エンジン始動時と反対方向にシフトレバー７が揺動してプランジャの動きがクラッチ５に伝達される。その結果、ピニオンギヤ６がリングギヤから離脱してクラッチ５と一体に出力軸４上を所定の位置（図２に示す位置）まで後退して停止する。

（実施例１の効果）
実施例１に記載した整流子１５は、モールド樹脂２４に埋設されるセグメント２３の埋設部にタブテール２３ｂが設けられている。また、ライザ部２３ｄが設けられるセグメント２３の軸方向一端側の端面に凹部２３ｃが形成され、その凹部２３ｃにモールド樹脂２４が充填されている。これにより、電機子１１の高速回転によってセグメント２３に遠心力が働いた時に、その遠心力に対してアンカー効果が発揮されるため、セグメント２３がモールド樹脂２４から浮き上がることはなく、高い遠心強度を確保できる。

また、モールド樹脂２４は、径大部２４ａより反ライザ部側に肉盛り部２４ｂを設けているので、ライザ部２３ｄより一端側に形成されるモールド樹脂２４の断面積（径大部２４ａと肉盛り部２４ｂとを合わせた断面積）が増大する。なお、従来の整流子は、図４に示す様に、モールド樹脂２４に肉盛り部２４ｂが設けられていない。つまり、ライザ部２３ｄより一端側に形成されるモールド樹脂２４は、径大部２４ａのみとなり、本実施例の整流子１５と比較して、モールド樹脂２４の断面積も小さくなっている。
これにより、モールド樹脂２４の機械的強度が大きくなり、破壊に対してモールド樹脂２４の余裕度を確保できるので、整流子１５の耐遠心強度が向上する。
さらに、肉盛り部２４ｂを設けた分だけモールド樹脂２４の体積が増加するため、モールド樹脂２４の熱的余裕度が向上する。その結果、例えば、電機子コイル１４の端部をライザ部２３ｄにヒュージング結合する時の発熱、あるいはモータ２への連続通電時に発生するモータ２の自己発熱、及びブラシ１６と整流子１５との摩擦による発熱等に対し、モールド樹脂２４の熱劣化が抑制される。

また、モールド樹脂２４に設けた肉盛り部２４ｂは、軸方向の反径大部側へ向かって外径が次第に小さくなるテーパ形状に設けられているので、図３に示す様に、ライザ部２３ｄに接続される電機子コイル１４と肉盛り部２４ｂとの干渉を回避できる。
また、肉盛り部２４ｂの外径をテーパ形状とすることにより、肉盛り部２４ｂの外径と、その肉盛り部２４ｂの径方向外側を通る電機子コイル１４との間に所定の隙間を得ることができるので、ライザ部２３ｄに接続される電機子コイル１４のコイルエンド部を成形する際に、その成形自由度が広がるため、コイルエンド部の作り易さにも貢献できる。

（変形例）
実施例１では、電機子コイル１４に平角線を用いた一例を記載したが、本発明に係る整流子１５は、電機子コイル１４に断面円形の丸線を用いた場合にも適用できる。

（ａ）整流子の半断面図、（ｂ）整流子のＡ−Ａ断面図である。 スタータの半断面図である。 整流子の半断面図である。 整流子の半断面図である（従来技術）。

符号の説明

１ スタータ（回転電機）
１２ 電機子軸
１４ 電機子コイル
１５ 整流子
１６ ブラシ
２３ セグメント
２３ａ ブラシ接触面
２３ｂ タブテール
２３ｃ 凹部
２３ｄ ライザ部
２４ モールド樹脂（絶縁部材）
２４ａ 径大部
２４ｂ 肉盛り部

Claims (4)

1. ブラシとの接触面（ブラシ接触面と呼ぶ）を形成する複数のセグメントと、この複数のセグメントと一体にモールド成形された絶縁部材とで構成され、この絶縁部材が電機子軸に固定される整流子を備え、
   前記セグメントは、前記絶縁部材にモールドされた埋設部にタブテールが設けられると共に、軸方向の一端側に前記ブラシ接触面より径方向外側へ突出するライザ部が設けられ、このライザ部に電機子コイルの端部が電気的に接続される回転電機であって、
   前記絶縁部材は、軸方向の一端側に、前記ブラシ接触面より外径が大きく形成されて前記ライザ部の内径側をモールドする径大部が設けられ、更に、前記径大部より軸方向の反ライザ部側へ延長された肉盛り部が設けられて、この肉盛り部と前記径大部とを合わせた軸方向の肉厚が、前記ライザ部の軸方向の肉厚の２倍以上に設定されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載した回転電機において、
   前記セグメントは、軸方向の一端面に凹部が形成され、この凹部が前記絶縁部材に埋設されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載した回転電機において、
   前記電機子コイルは、断面矩形状の平角線を使用することを特徴とする回転電機。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの回転電機において、
   前記肉盛り部は、軸方向の反径大部側へ向かって外径が次第に小さくなるテーパ形状に設けられていることを特徴とする回転電機。
   

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