JP2008125202A - Brush device for commutator motor and vacuum cleaner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、整流子電動機のブラシ装置及び電気掃除機に関するものである。 The present invention relates to a brush device and a vacuum cleaner for a commutator motor.
従来、電動送風機に用いられる電動機では、磁極数が2極の整流子電動機が多く用いられている。この電動機は負荷が軽いと回転速度が増加し、負荷が重いと回転速度が下がって高トルクを発生するという直巻特性を持たせることができるので、送風機駆動に適した特性を有するためである。 Conventionally, in an electric motor used for an electric blower, a commutator motor having two magnetic poles is often used. This electric motor has characteristics suitable for driving a blower because the rotation speed increases when the load is light and the rotation speed decreases and a high torque is generated when the load is heavy. .
また、電気掃除機本体を小形軽量として操作性を向上させるため、本体に搭載される整流子電動機も小形軽量なものが求められる。整流子電動機を小形軽量化する手段として、例えば非特許文献1に記載されているように、1分間あたり4万回転(40,000min-1)以上の高い回転速度を設定すること、鉄心の磁束密度を比較的高く設定することなどの方法が採られている。
Further, in order to improve the operability by making the vacuum cleaner main body small and light, the commutator motor mounted on the main body is also required to be small and light. As a means for reducing the size and weight of the commutator motor, for example, as described in Non-Patent
一方、小形軽量化とともに求められるものに高耐久性があり、これを主体的に決めるものとしてブラシ寿命が挙げられる。整流子電動機のブラシ装置は、ブラシ磨耗を伴いながら絶えず摺動接触を行い電力の授受を行っているが、ブラシ寿命はブラシと整流子とが機械的に摺動接触することによる機械的磨耗と、整流現象に伴う火花電圧が影響する電気的磨耗に大別される。機械的磨耗は、整流子側から影響する要因として、整流子表面の粗さや整流子片の凹凸の状況がある。ブラシと摺り合う整流子表面が粗いとブラシ磨耗量が多く、また、整流子片の凹凸が大きいとブラシが整流子に衝突する機会が増えることによりブラシ磨耗量が増えることが周知である。また、ブラシ側からの機械的磨耗の増大に影響する要因として、過度のブラシ加圧力の設定がある。ブラシ加圧力とは、ブラシを整流子に付勢する押下力であり、一般的にブラシ加圧力が大きいほど機械的磨耗が増加する傾向がある。 On the other hand, what is required in conjunction with the reduction in size and weight is high durability, and the life of the brush is one of the main factors that determine this. The brush device of a commutator motor constantly performs sliding contact with brush wear and transfers power, but the brush life is mechanical wear due to mechanical sliding contact between the brush and commutator. The electrical wear is affected by the spark voltage accompanying the rectification phenomenon. Mechanical wear has factors such as roughness of the surface of the commutator and unevenness of the commutator pieces as factors affecting from the commutator side. It is well known that if the surface of the commutator that slides on the brush is rough, the amount of brush wear is large, and if the unevenness of the commutator piece is large, the amount of brush wear increases due to an increased chance of the brush colliding with the commutator. In addition, as a factor affecting the increase in mechanical wear from the brush side, there is an excessive setting of the brush pressure. The brush pressing force is a pressing force that urges the brush toward the commutator. Generally, as the brush pressing force increases, mechanical wear tends to increase.
このため、機械的磨耗の増加を少なく抑えるためには、できるだけ整流子の表面を滑らかにして、整流子片の凹凸を小さく設定し、ブラシ加圧力を小さく設定するとよい。しかし、ブラシ加圧力をあまり小さくしすぎると、ブラシの振動が過大となって電力の授受の健全性を失うため、電気的磨耗が増大し、せっかく機械的磨耗の低減を図ったとしても電気的磨耗が増大し、ブラシ寿命向上の効果が現れないもしくはむしろブラシ寿命が減少するといった事象が確認される。 For this reason, in order to suppress an increase in mechanical wear, it is preferable to make the surface of the commutator as smooth as possible, to set the unevenness of the commutator piece as small as possible, and to set the brush pressure as small as possible. However, if the brush pressure is too small, the brush vibration becomes excessive and the soundness of power transmission and reception is lost.Therefore, the electrical wear increases, and even if the mechanical wear is reduced, the electrical wear is reduced. It is confirmed that the wear increases and the effect of improving the brush life does not appear or rather the brush life decreases.
ブラシ加圧力は、機械的磨耗だけに関係すると考えられがちであるが、ブラシ振動に密接に影響し、火花電圧の状況から電気的磨耗にも影響し得る。ブラシの振動が抑えられ、健全な摺動接触が保たれるブラシ加圧力の設定がブラシ寿命の向上のためには重要で、ひいては整流子電動機の耐久性も左右することになる。 The brush pressure is often thought to be related only to mechanical wear, but it has a close influence on brush vibration and can also affect electrical wear due to spark voltage conditions. The setting of the brush pressing force that suppresses the vibration of the brush and maintains a healthy sliding contact is important for improving the brush life, and consequently the durability of the commutator motor is also affected.
ところで、ブラシ加圧力を得るには安価ということもあり機械式ばねが広く用いられている。機械式ばねの種類は多種に亘り、例えば、つるまきばね,巻込みばね等の形状の種類、また、ばね材質の組み合わせにより多種多様である。 By the way, mechanical springs are widely used because it is inexpensive to obtain brush pressure. There are various types of mechanical springs, and for example, there are various types of shapes such as a helical spring and a winding spring, and combinations of spring materials.
つるまきばねは、ブラシ装置によく用いられるばね形状である。このばねは、ブラシ初期では摺動接触の健全性を維持するためのブラシ加圧力が十分でも、ブラシ終期のブラシ加圧力がばね定数に応じて小さくなるので、初期のブラシ加圧力を予め高めに設定し、初期の機械的磨耗量の増加と引換えに終期のブラシの安定摺動を実現している。これに対し、初期のブラシ加圧力を高めに設定しなくてすむばねとして、巻込みばねに代表される定圧型ばねがある。ブラシ長さに関係なく、一定のブラシ加圧力が得られるのが最大の特徴である。本ばねを用いたブラシ装置の基本構成を特許文献1に示す。ブラシを整流子や環状円環(スリップリング)に押下するばねとして薄板の巻込みばねを用い、ブラシ上端面には、ばねの加圧部の干渉を避けるようにリード線(ピグテール)がブラシの角部に接続され、斜め上方に引き出してブラシと反対の端に取り付けられた通電用金具(単に端子と呼ぶ)に接続されている。ブラシから引き出したリード線(ピグテール)は、ブラシ加圧力への影響を極力小さくするために、銅などの導電体の細線を多数束ねて撚り合わせた複合より線であり、しなやかな仕上がりとしている。また、リード線(ピグテール)は、磨耗によりブラシが短くなるのを考慮して、ブラシ初期では長めとなっており、ブラシ保持器より外側にはみ出た構成としているため、ブラシ装置全体としては大形なものとなっていた。さらに、回転電気機械の冷却などを目的に、通風冷却を実施した場合、風圧がブラシ保持器に加わり、上記リード線(ピグテール)が揺らいで回転電気機械の巻線導体用端子や構造部材等と接触する懸念もあり、信頼性の低下を余儀なくされていた。
The helical spring has a spring shape often used in a brush device. In this spring, even if the brush pressure is sufficient to maintain the soundness of the sliding contact at the initial stage of the brush, the brush pressure at the end of the brush decreases according to the spring constant. Set and realize stable sliding of the brush at the end in exchange for an increase in the initial mechanical wear. On the other hand, there is a constant pressure type spring represented by a winding spring as a spring that does not require a high initial brush pressure. The greatest feature is that a constant brush pressure can be obtained regardless of the brush length.
解決しようとする課題は、整流子電動機の小形軽量化を達成しながら、初期におけるブラシ磨耗の低減と終期におけるブラシ振動抑制を両立し、リード線の回転電気機械構造部材への接触を防止した、高性能かつ高信頼性を有する整流子電動機用ブラシ保持装置を提供することである。 The problem to be solved is to achieve both reduction in brush wear in the initial stage and suppression of brush vibration in the final stage while achieving a reduction in size and weight of the commutator motor, and preventing the lead wire from contacting the rotating electrical machine structural member. A brush holding device for a commutator motor having high performance and high reliability is provided.
電動送風機の整流子電動機のブラシ装置において、ブラシ保持器箱にブラシ,巻込みばね、およびリード線を格納する。 In a brush device of a commutator motor of an electric blower, a brush, a winding spring, and a lead wire are stored in a brush holder box.
リード線と電動機構造部材や巻線などとの接触を防止できる。 Contact between the lead wire and the motor structural member or winding can be prevented.
以下、図面に沿って実施例を説明する。 Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings.
本発明の第1の実施例を図1から図4により説明する。図1は本発明の実施例を示す電気掃除機用電動送風機の半断面である。電動送風機1はファン70を駆動する整流子電動機3と、高速気流を発生する送風機部からなる。送風機部は遠心回転するファン70と、圧力を回復するディフューザ71とがファンケーシング102で囲われるように構成される。整流子電動機3の出力軸にはファン70が取り付けられ、気流は図1の矢印で示したように、ファン70の入口部から流入し、ディフューザ71から整流子電動機3の内部を通過して後方より排出される。これにより電動送風機1は、その仕事量に応じて生じる電動機側の損失を効果的に冷却しつつ、高い吸込み力を得ている。整流子電動機3で消費される損失としては、電機子30で発生する鉄損と電機子巻線銅損、固定子50で発生する鉄損と界磁巻線銅損に加え、風損,軸受損,ブラシ摺動にともなう摩擦損、およびブラシ11と整流子5の接触電圧降下にともなう電気損からなる。また、これらはほとんどが熱となって消費されるが、上記ファン70からの気流によってもれなく冷却される。
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a half cross-sectional view of an electric blower for a vacuum cleaner showing an embodiment of the present invention. The
また、ブラシ保持器10は、電動送風機1の反出力軸側(後方位置)にブラシ保持器用取付ネジ15によりモータハウジング100に取り付けて固定される。電動機は2極の整流子電動機3であるのでブラシ保持器10は、整流子5の円周上の対向位置に2つ設置する構成となる。また、ブラシ保持器10には、ブラシ11,巻込みばね12,リード線
13を格納させて、ファン70からの気流がこれを通過したときにも、ブラシ保持器10がリード線13を保護して、不要な電気的な接触,短絡を防ぐようにリード線13の揺らぎを防止している。
Further, the
ところで、前記のとおり整流子電動機3は小形軽量化を達成するために、40,000
min-1 以上の高い回転速度で駆動させている。回転速度が上昇すると軸振動の増大が問題となるが、振動を小さく抑えるため、シャフト45に係止された出力側軸受41と反出力側軸受40の間の距離を極力小さくして、電機子30としての固有振動値を大きくしている。このため、軸受間の距離は極力小さく設定させており、それに対応してブラシ装置についてもその設置位置と巻線や端子などの位置との距離を絶縁距離の許す限り接近させ、健全な電気の授受と高速回転時の振動低減とを両立できる。
Incidentally, as described above, the commutator motor 3 is 40,000 in order to achieve a reduction in size and weight.
It is driven at a high rotational speed of min -1 or higher. When the rotational speed increases, an increase in shaft vibration becomes a problem. To suppress vibration, the distance between the output-side bearing 41 and the counter-output-side bearing 40 locked to the
以上、電動送風機1での高速気流が、吸込み力と得ながら駆動する整流子電動機3の冷却の役割を担っていること、また、その気流は風圧としてブラシ装置にも作用していること、さらには電気掃除機に用いられる電動送風機も操作性の向上から小形軽量なものが求められることの重要性を鑑み、電力の授受を行うブラシ10は、限られたスペースでリード線13を保護しつつ、安定摺動状態を実現する本実施例のブラシ保持機構は、高性能化と高信頼性を確保するうえで有効に作用する。
As described above, the high-speed airflow in the
次に、図2〜図4を用いて、本発明に関わるブラシ装置の詳細について説明する。図2は本発明のブラシ機構を示す斜視図である。ブラシ装置は、ブラシ保持器箱20,ばね保持アーム18,樹脂部14,ブラシ11,リード線13(図示せず)、および巻込みばね12で構成する。ブラシ保持器箱20は真鍮などの金属製で、図に示したように、断面が十文字形状の異形管として、これにブラシ11,リード線13(図示せず),巻込みばね12を格納させる。また、巻込みばね12の摺動方向の下方位置には、ばね保持アーム
18と一致させるように、リベット17を用いて巻込みばね12をブラシ保持器箱20に固着固定してある。次に図3を用い、さらに説明を行う。図3は本発明のブラシ機構の詳細を示す斜視図である。巻込みばね12がブラシ磨耗によりブラシ加圧位置の高さが移動してもブラシ保持器箱20との接触を防止する目的で、そのブラシ保持器箱20の長手方向には、巻込みばね12の幅寸法に対応したスリットを設ける。ばね保持アーム18はこのスリットを囲うようにブラシ保持器箱20に取り付けられ、ばね保持アーム用固定ネジ19で固定する。また、リード線13はブラシ11の上端面に接続するが、端子16までの電気的接続はブラシ保持器箱20内のブラシ11の上方でかつ、巻込みばね12が占有していないスペースを利用して端子16まで立ち上げて、端子16に接続するとよい。これより、ブラシ加圧機構には直接影響せず、少ない取り付けスペースで巻込みばね12とブラシ11およびリード線13を格納したコンパクトで高性能のブラシ装置とできる。
Next, the details of the brush device according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a perspective view showing the brush mechanism of the present invention. The brush device includes a
図4に本発明のブラシ機構のA方向からみた断面図と上から見た断面図を示す。A方向とは、図2および図3に示すAからの方向であり、図1に示す電動送風機1を軸長手方向からみたときと同じである。まず上から見た断面図から説明する。巻込みばね12とブラシ11とは、十文字を形成するように、そして互いにブラシ保持器箱20内で可動できるように配置させる。また、ブラシ幅Wbは巻込みばね幅Wsに対し十分大きい約2倍として、ブラシ11の上端面の加圧付勢範囲を回避するように、リード線13のブラシ接続箇所を設けることによりブラシ加圧機構に影響を与えることがほとんどなく、リード線13をブラシ11から端子16まで導通できる構造とした。また、本発明に関わるブラシ装置のA方向からみた断面では、初期のブラシと磨耗した終期のブラシの加圧位置と巻込みばね12の状況を示してある。巻込みばね12aは、初期のブラシでは、ばねが十分伸びた状態でブラシ11を整流子5に押下付勢して、終期のブラシでは巻込みばね12bがブラシ磨耗に追随するかたちでブラシ11を初期から終期まで、一定のブラシ加圧力で整流子5に押下付勢させる。巻込みばね12は図に示したように、ブラシの磨耗状況に応じて加圧高さ位置が変化するが、その動きを阻害しないようにブラシ保持器箱の内側壁が案内ガイドの役割を担っており、ブラシ11についても同様にブラシ保持器箱20が案内ガイドの役割を果たす訳である。
FIG. 4 shows a cross-sectional view of the brush mechanism of the present invention as viewed from the A direction and a cross-sectional view as viewed from above. The A direction is the direction from A shown in FIGS. 2 and 3 and is the same as when the
また、風圧がブラシ保持器に加わり、リード線13が揺らいで回転電気機械の巻線導体用端子や構造部材等と接触する懸念もあり、信頼性の低下が考えられる。そのため、ブラシ保持器箱にブラシ,巻込みばね、およびリード線を格納することにより、ブラシ保持器がリード線に風圧が当たるのを防止するためリード線の揺らぎを防止でき、回転電気機械の巻線導体用端子や構造部材等との接触を防止できる。このため、高信頼のブラジ器を提供することが可能である。
Further, there is a concern that wind pressure is applied to the brush holder and the
次に、本発明に関わる第2の実施例を説明する。図5は本発明の第2の実施例を示すブラシ機構のA方向からみた断面図である。ブラシ11の上面には巻込みばね12の外径円周面に沿うように三日月状の溝を設けた。これより、ブラシ加圧力を面でうけることとなり、より確実にブラシ11の付勢が行われ、ブラシ座乗性を向上できる効果を奏する。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described. FIG. 5 is a sectional view of the brush mechanism as viewed from the A direction according to the second embodiment of the present invention. A crescent-shaped groove was provided on the upper surface of the
また、図6は本発明の第3の実施例を示すブラシ機構のA方向からみた断面図である。ブラシ装置は、ブラシ保持器箱20,ばね保持アーム18,樹脂部14,ブラシ11,リード線13,巻込みばね12、および加圧子25で構成した。ここで加圧子25は、ブラシ11と巻込みばね12の間に配置させ、加圧力は加圧子25を介してブラシ11に伝達される。加圧子25の材質としては、ブラシ装置が高温となるため、フッ素樹脂などの耐熱性緩衝材が好ましい。
FIG. 6 is a sectional view of the brush mechanism as viewed from the A direction according to the third embodiment of the present invention. The brush device was composed of a
図7は本発明の第4の実施例を示すブラシ機構のA方向からみた断面図である。加圧子25を耐熱性緩衝材で構成し、かつ加圧子25の端子16と反対方向に空隙部27を設け、この空隙部27にブラシ11の上方からのリード線13を通し、リード線13と巻込みばね12との接触干渉を回避させた。ブラシ11とリード線13の接続箇所は、図に示すように、ブラシ11の上端面の加圧付勢範囲を回避するように、リード線13のブラシ接続箇所を設けることはもちろんだが、ブラシ11の中央部分にリード線13の接続箇所を設けた場合でも、巻込みばね12による加圧付勢はあくまでも加圧子25であるので、この空隙部27を利用してリード線13を端子16まで立ち上げれば問題ない。これよりブラシ加圧機構に影響を与えることがほとんどなく、リード線13をブラシ11から端子
16まで導通できる構造とした。ブラシ11の上端面の巻込みばね12の加圧付勢部に接続するが、端子16までの電気的接続はブラシ保持器箱20内のブラシ11の上方でかつ巻込みばね12が占有していないスペースを利用して端子16まで立ち上げ、端子16に接続するとよい。これより、ブラシ加圧機構には直接影響させず、少ない取付けスペースで巻込みばね12とブラシ11およびリード線13を格納したコンパクトで高性能のブラシ装置とできる。
FIG. 7 is a sectional view of the brush mechanism as viewed from the A direction according to the fourth embodiment of the present invention. The
図8は本発明の第5の実施例を示すブラシ機構のA方向からみた断面図である。上記、第4の実施例に対し、加圧子25の上面には巻込みばね12の外径円周面に沿うように三日月状の溝を設けた。これより、ブラシ加圧力を面でうけることとなり、より確実にブラシ11の付勢が行われ、ブラシ座乗性を向上できる効果を奏する。
FIG. 8 is a sectional view of the brush mechanism as viewed from the A direction according to the fifth embodiment of the present invention. In contrast to the fourth embodiment, a crescent-shaped groove is provided on the upper surface of the pressurizer 25 so as to follow the outer circumferential surface of the winding
以上、本発明に関わるブラシ装置の構成・構造、ならびに機構の説明を行った。また、その用途としては電気掃除機に用いられる整流子電動機を対象に説明したが、本発明に関わるブラシ装置は、電動機の体格を小さく維持しながら、初期のブラシ加圧力を低減させ、ブラシの座乗性を向上できるため、電動機の用途,極数などに限ることなく、一般の整流子電動機用のブラシ装置として適用したとしても、その効果に変りはないことはいうまでもない。 The configuration / structure and mechanism of the brush device according to the present invention have been described above. In addition, although the application has been described for a commutator motor used in a vacuum cleaner, the brush apparatus according to the present invention reduces the initial brush pressure while maintaining the physique of the motor small, Since the seating property can be improved, it is needless to say that the effect does not change even if it is applied as a brush device for a general commutator motor, without being limited to the application and the number of poles of the motor.
また、上記、第1〜第5の実施例では、ブラシ保持器箱20は切り出し加工を想定し、ばね保持アーム18との組み立てによってブラシ装置を構成したが、ブラシ保持器箱20とばね保持アーム18とを一体物で形成としてもよい。例えば、真鍮の薄板材からプレス加工を経て製作してもよく、本発明の趣旨にはずれることはなく、余分な製作コストを省けるというメリットが付加される。
Further, in the first to fifth embodiments, the
以上のように、本発明のブラシ装置は、初期におけるブラシ加圧力を低減させることで機械的磨耗を少なくし、終期におけるブラシ振動を抑制することでブラシ座乗性を向上させ、さらにはリード線と電動機構造部材や巻線などとの接触を防止できるという利点がある。 As described above, the brush device of the present invention reduces the mechanical wear by reducing the brush pressure at the initial stage, improves the brush seating performance by suppressing the brush vibration at the final stage, and further leads. There is an advantage that it is possible to prevent contact between the motor and the structural member of the electric motor or the winding.
また、小形軽量化を重視する整流子電動機に好適なコンパクトなブラシ装置とできる利点もある。 In addition, there is an advantage that a compact brush device suitable for a commutator motor that places importance on small size and light weight can be obtained.
1 電動送風機
3 整流子電動機
5 整流子
10 ブラシ保持器
11 ブラシ
12 巻込みばね
13 リード線
14 樹脂部
15 ブラシ保持器用取付けネジ
16 端子
17 リベット
18 ばね保持アーム
19 ばね保持アーム用固定ネジ
20 ブラシ保持器箱
25 加圧子
27 空隙部
30 電機子
40 反出力軸側軸受
41 出力軸側軸受
45 シャフト
50 固定子
51 界磁巻線
55 電流供給端子
70 ファン
71 ディフューザ
100 モータハウジング
102 ファンケーシング
DESCRIPTION OF
Claims (12)
ブラシを整流子に押下するブラシスプリングが巻込みばねであり、かつブラシ保持器箱にブラシ,巻込みばね、およびリード線を格納したことを特徴とする電気掃除機。 In a vacuum cleaner having a brush device that transfers power while performing mechanical sliding contact with a commutator of a commutator motor used as a drive source of an electric blower,
A vacuum cleaner, wherein a brush spring for pressing a brush against a commutator is a winding spring, and the brush, the winding spring, and a lead wire are stored in a brush holder box.
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