JP2010166747A - Brush unit of rotating electric machine and rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディスクコンミテータを用いた回転電機のブラシ装置に関するものである。 The present invention relates to a brush device for a rotating electrical machine using a disk commutator.
従来、電動モータの給電装置として、ロータの軸線方向端部に取り付けられてロータと一体回転する円板状のディスクコンミテータと、モータハウジング側に固定配置されてディスクコンミテータと摺接するブラシ部材を含むブラシ装置とによるものがある(例えば、特許文献1、2)。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a power supply device for an electric motor, a brush including a disk-shaped disk commutator that is attached to an end portion in the axial direction of a rotor and rotates integrally with the rotor, and a brush member that is fixedly disposed on the motor housing side and slidably contacts the disk commutator There are those depending on the device (for example, Patent Documents 1 and 2).
上述のブラシ装置では、図8に示されるように、ディスクコンミテータ32を構成する複数の扇形状のセグメント36が円板面上で放射状に配設され、ブラシ60が円板面上の各セグメント36に対して順次摺接する。そのようなディスクコンミテータ32におけるブラシ60の摺接面の形状としては図に示されるようにディスクコンミテータ32の軸線方向(図面の表裏方向)から見た平面視で台形状に形成されている。しかしながら、セグメント36間の隙間からなる境界36aをブラシ60の縁が横切ってセグメント36を切り替える時に電流の正負の切り替わりがあり、その切り替わり変化が大きい場合には火花が生じ、それによりブラシ60の摩耗が早くなってしまうという問題がある。
In the brush device described above, as shown in FIG. 8, a plurality of fan-
ブラシの磨耗を減らすため、円筒面形状のコンミテータを備えたブラシモータでは、ブラシの接触面をできるだけ広く取り、ブラシ電流密度を下げることが行われている。しかしながら、ブラシの接触面をできるだけ広くとるために、ディスクコンミテータを半径方向外側へ拡張すると、ディスクコンミテータの外側の制約を受け、限界がある。また、ディスクコンミテータを周方向(幅方向)へ拡張すると、導体数の制約を受けてしまうため、ブラシの接触面を広く取ることができない。すなわち、ディスクコンミテータのように扇形状のセグメントが放射状に配設されたものにおいて、ブラシの摺接面を増大させるには限界がある。 In order to reduce brush wear, brush motors equipped with a cylindrical surface commutator take the contact surface of the brush as wide as possible to reduce the brush current density. However, if the disk commutator is expanded radially outward in order to make the contact surface of the brush as wide as possible, there is a limitation due to restrictions on the outside of the disk commutator. Further, when the disk commutator is expanded in the circumferential direction (width direction), the contact number of the brush cannot be widened because the number of conductors is restricted. That is, there is a limit in increasing the sliding surface of the brush in the case where the fan-shaped segments are arranged radially like the disk commutator.
このような課題を解決して、ディスクコンミテータを用いた回転電機において、ブラシの摩耗を抑制し得ることを実現するために本発明に於いては、扇形導電体からなるセグメントを平面上で放射状に配設されたディスクコンミテータの当該複数のセグメントに摺接するブラシを有する回転電機のブラシ装置であって、前記ブラシの摺接面における前記摺接する方向の前側と後側との少なくとも一方の縁が、前記複数のセグメントを分割する境界線上にて当該境界線に対して斜行するように形成されているものとした。 In order to solve such problems and realize that in a rotating electric machine using a disk commutator, it is possible to suppress the wear of the brush, in the present invention, the segments made of fan-shaped conductors are radially formed on a plane. A brush device of a rotating electrical machine having a brush that is in sliding contact with the plurality of segments of the disposed disk commutator, wherein at least one edge of the front side and the rear side in the sliding contact direction of the sliding contact surface of the brush, It was formed so as to be skewed with respect to the boundary line on the boundary line dividing the plurality of segments.
特に、前記摺接面に凹部が設けられ、さらに前記凹部が、前記摺接面における前記摺接する方向に対して中央に設けられていると良く、また、前記摺接面が矩形に形成されていると良い。また、上記構成の回転電機のブラシ装置と、前記ブラシ装置が固定されるハウジングと、前記ハウジングに回転自在に支持される回転子とを有する回転電機であると良い。 In particular, the sliding surface is provided with a recess, and the recess is preferably provided in the center of the sliding surface with respect to the sliding contact direction, and the sliding surface is formed in a rectangular shape. Good to be. Moreover, it is good in the rotary electric machine which has the brush apparatus of the rotary electric machine of the said structure, the housing to which the said brush apparatus is fixed, and the rotor rotatably supported by the said housing.
このように本発明によれば、ディスクコンミテータにおけるブラシの形状を、複数のセグメントの境界線に対して斜行する縁を有する形状に形成したことから、ブラシにおける次のセグメントへの切り替わりが徐々に行われるため、整流性が良く、一気に切り替わった時に起きる火花が生じることを抑制し得る。 As described above, according to the present invention, since the shape of the brush in the disk commutator is formed to have a shape having an oblique line with respect to the boundary lines of the plurality of segments, the switching to the next segment in the brush is gradually performed. Since it is carried out, the rectification is good and it is possible to suppress the occurrence of sparks that occur when switching at a stroke.
また、従来のブラシ形状においては、ブラシの摺接面の一方の端部は、ディスクコンミテータと接触するが、ブラシの摺接面の他方の端部は、ディスクコンミテータと接触しない場合がある。それに対して、本発明のブラシのように、ブラシの摺接面に凹部を形成することによりブラシの摺接面の両端部に、バランスよく接触圧を加えることができ。さらに、ブラシの摺接面における摺接する方向に対して中央に溝を形成することで、通常形状のブラシの接触圧よりも高い圧力を、ブラシの両端部にバランスよく加えることができる。これにより、ブラシの両端部に高い接触圧を発生させることができ、ブラシの両端部はディスクコンミテータと確実に摺接するため、モータの使用の初期段階においてもモータの特性が安定する。 Further, in the conventional brush shape, one end of the slidable contact surface of the brush is in contact with the disk commutator, but the other end of the slidable contact surface of the brush may not be in contact with the disk commutator. On the other hand, like the brush of the present invention, the contact pressure can be applied in a balanced manner to both ends of the sliding surface of the brush by forming a recess on the sliding surface of the brush. Furthermore, by forming the groove in the center with respect to the sliding contact surface of the brush, a pressure higher than the contact pressure of the normal-shaped brush can be applied to both ends of the brush in a balanced manner. As a result, high contact pressure can be generated at both ends of the brush, and both ends of the brush are in sliding contact with the disk commutator, so that the motor characteristics are stabilized even in the initial stage of use of the motor.
また、摺接面が矩形であることにより、ブラシを直方体に形成することができるため加工が容易になると共に、ディスクコンミテータにおける扇形状のセグメントに対して、次のセグメントへの切り替わりの始めと終わりとの両部分で徐々に切り替わることを容易に実現でき、整流性をより一層向上し得る。また、上記したように構成された回転電機のブラシ装置を回転電機に設けることにより、ディスクコンミテータを用いた回転電機のブラシ耐摩耗性を向上し得る。 In addition, since the sliding contact surface is rectangular, the brush can be formed in a rectangular parallelepiped, which facilitates processing, and at the beginning and end of switching to the next segment for the fan-shaped segment in the disk commutator. Thus, it is possible to easily switch gradually at both portions, and to further improve the rectification. Further, by providing the rotating electrical machine with the brush device of the rotating electrical machine configured as described above, it is possible to improve the brush wear resistance of the rotating electrical machine using the disk commutator.
図1は、第1の実施形態の始動用電動機Mの全体構成を示している。始動用電動機Mは、車両のエンジン(不図示)に固定されるモータハウジング(ハウジング)16と、モータハウジング16に回転自在に支持される回転子30とを有している。モータハウジング16は、複数の永久磁石18を備えた円筒形状のヨーク10と、ヨーク10の一方の開口周縁部10aに固定され、給電部Eとブラシ装置40とを有するリアブラケット14と、ヨーク10の他方の開口周縁部10bに固定されるフロントブラケット12とを有している。
FIG. 1 shows the overall configuration of a starter motor M according to the first embodiment. The starter motor M includes a motor housing (housing) 16 fixed to an engine (not shown) of the vehicle, and a
回転子30は、ブラシ装置40を介して、給電部Eと電気的に接続されるコイル28を有しており、永久磁石18に対向して、モータハウジング16の内部に配されている。そのため、給電部Eからブラシ装置40を介して、コイル28に電流が供給されると、回転子30は励磁される。すなわち、コイル28に電流が供給されると、回転子30には周方向に力が発生し、回転子30が回転し、エンジンは駆動される。
The
回転子30は、ロータコア26と、ディスクコンミテータ32と、ロータコア26とディスクコンミテータ32とが圧入されたシャフト24とを有している。回転子30のシャフト24の一方の端部24aは、リアブラケット14に圧入されたオイルレスメタル22に挿入され、回転子30のシャフト24の他方の端部24bは、フロントブラケット12に圧入されたベアリング20に挿入される。
The
回転子30のシャフト24には、ロータコア26とディスクコンミテータ32とが圧入されており、回転子30は、モータハウジング16によって回転自在に支持される。シャフト24の他方の端部24bには、ギヤ24cが形成されており、エンジンのギヤ(不図示)と噛合する。そのため、回転子30の回転に伴って、エンジンは駆動される。
A
シャフト24に圧入されるロータコア26は、磁性材料からなる複数のコアプレートを積層形成したものであって、T字状のティース部120を有している。なお、第1の実施形態において、ロータコア26は、整流性を向上させるために、32個のティース部120を有している。ただし、整流性を向上させるためには、ロータコア26は、25個から35個のティース部120を有していれば良い。
The
積層形成されたロータコア26は、絶縁性を確保するためにコーティング材によって被覆されている。コーティング材によって被覆されたロータコア26のティース部120には、コイル28が巻装されており、コイル28は、コーティング材によってロータコア26に固定される。そのため、コイル28同士が接触する恐れはなく、コイル28の絶縁性は確保される。なお、始動用電動機Mの整流性を向上させるために、コイル28は、短節巻で、ロータコア26のティース部120に巻装されている。
The laminated
シャフト24に圧入されるディスクコンミテータ32は、回転子30と一体に回転する。ディスクコンミテータ32は、複数の扇状の導電部(セグメント)36を有しており、円盤状に形成された絶縁性のベース部材34は、扇状に形成された導電部36を含んで、インサート成形されている。なお、ディスクコンミテータ32には、コイル28がヒュージングによって接続される。このため、ディスクコンミテータ32は、ロータコア26に巻装されたコイル28と電気的に接続される。
The
モータハウジング16は、円筒状に形成されたヨーク10と、ヨーク10の一方の開口周縁部10aとインロー嵌合するリアブラケット14と、ヨーク10の他方の開口周縁部10bとインロー嵌合するフロントブラケット12とを有している。始動用電動機Mは、リアブラケット14に形成された脚部14kを介して、ボルト(不図示)などによって、エンジンに固定される。
The
ヨーク10は、鉄などの磁性材によって円筒状に形成されており、ヨーク10には、複数の永久磁石18が磁極を交互にして配設されている。ヨーク10の一方の開口周縁部10aは、リアブラケット14とインロー嵌合し、ヨーク10の他方の開口周縁部10bは、フロントブラケット12とインロー嵌合する。そのため、ヨーク10の開口周縁部10a、10bは、肉薄に形成されている。
The
ヨーク10の他方の開口周縁部10bにインロー嵌合されたフロントブラケット12には、ボルト114が挿入される。ボルト114は、ヨーク10を介して、リアブラケット14に形成されたボルト孔(図示せず)に螺入される。すなわち、ヨーク10と、リアブラケット14と、フロントブラケット12とは、ボルト114によって一体化され、始動用電動機Mを構成する。なお、ヨーク10の一方の開口周縁部10aとリアブラケット14の開口周縁部14aとの間には、ゴム製の角リング116が配されており、ヨーク10の他方の開口周縁部10bとフロントブラケット12の開口周縁部12aとの間には、ゴム製の角リング116が配されている。すなわち、角リング116によって、ヨーク10とリアブラケット14の間はシールされ、ヨーク10とフロントブラケット12との間は、シールされる。そのため、モータハウジング16の内部には、外部から水等が浸入することはない。
フロントブラケット12は、アルミダイキャストによって碗状に形成されており、ヨーク10の一方の開口周縁部10bとインロー嵌合する。そのため、フロントブラケット12の開口周縁部12aは、肉薄に形成されている。フロントブラケット12には、筒形状のボス部12bが形成されており、ボス部12bには、Oリング112が固定されている。そのため、エンジンに取り付けられた始動用電動機Mは、Oリング112によってシールされる。
The
フロントブラケット12には、ベアリング20とオイルシール109とが圧入されている。そのため、モータハウジング16の内部には、エンジンオイルが浸入することはない。また、フロントブラケット12に圧入されたベアリング20には、回転子30のシャフト24の他方の端部24bが挿入される。そのため、回転子30は、フロントブラケット12によって回転自在に支持される。
A
リアブラケット14は、アルミダイキャストによって碗状に形成されており、ヨーク10の一方の開口周縁部10aとインロー嵌合する。そのため、リアブラケット14の開口周縁部14aは、肉薄に形成されている。なお、第1の実施形態において、リアブラケット14は、小型に形成されている。具体的には、リアブラケット14の外径は、60mmから68mmの範囲内に設定されている。
The
リアブラケット14は、回転子30と電気的に接続される給電部Eと、ブラシ装置40とを有している。給電部Eは、リアブラケット14に固定されたターミナルボルト100を有しており、ターミナルボルト100は、不図示の外部電源と接続される。ブラシ装置40は、ブラシホルダ42と、ブラシホルダ42上に形成された複数のブラシ収容部48とを有しており、ブラシ収容部48に収容された複数のブラシ部材50は、ディスクコンミテータ32の導電部36と摺接する。
The
給電部Eは、ターミナルボルト100を有している。ターミナルボルト100は、リアブラケット14の内側からブラシ装置40を介して、リアブラケット14に形成された貫通孔106に挿入される。貫通孔106に挿入されたターミナルボルト100には、リアブラケット14の外側からナット108が螺入される。したがって、ターミナルボルト100は、ナット108によってリアブラケット14に固定される。
The power feeding unit E has a terminal bolt 100. The terminal bolt 100 is inserted into the through
リアブラケット14の中央には、円筒形状のボス部14bが突出形成されており、ボス部14bには、オイルレスメタル22が圧入されている。ボス部14bに圧入されたオイルレスメタル22には、回転子30のシャフト24の一方の端部24aが挿入される。すなわち、回転子30は、リアブラケット14によって回転自在に支持される。
At the center of the
ブラシホルダ42は、正極ターミナルプレート70と負極ターミナルプレート(図示せず)の双方を含んで、インサート成形されている。なお、実施形態では、正極ターミナルプレート70および負極ターミナルプレートは、プレス加工によって形成された金属板である。また、ブラシホルダ42は、リアブラケット14に形成されたボス部14bを外嵌する円筒部44と、円筒部44の一方の端部に形成され、リアブラケット14の底面に当接するフランジ部46と、円筒部44を囲んでフランジ部46上に形成された複数のブラシ収容部48とを有している。ブラシ収容部48には、正極ブラシ部材50と負極ブラシ部材(図示せず)とが交互に収容されており、正極ブラシ部材50および負極ブラシ部材は、カーボン材等によってそれぞれ同一の形状に形成されている。なお、正極ブラシ部材50および負極ブラシ部材は、ブラシ収容部48に収容された圧縮コイルばね62(図3参照)によって付勢され、ディスクコンミテータ32の導電部36に摺接する。ターミナルボルト100の頭部102には、正極ブラシ部材50のピグテールが接続されている。
The
図2に示されるように、導電部36は、ディスクコンミテータ32の中心(ロータ軸24の軸心)側が狭く半径方向外側が広い扇形に形成されている。そして、ディスクコンミテータ32の軸線方向端面に放射状かつ周方向に等角度間隔で複数の導電部36が配設されている。
As shown in FIG. 2, the
ブラシ部材50は、全体として直方体に形成されており、図2ではブラシ部材50の摺接面50aは図における裏面側であるが、摺接面50aの形状である外形は、図示の通りであり、図に示されるように矩形である。その矩形における両長辺がディスクコンミテータ32の直径に平行するようにブラシ部材50が配設されている。これにより、例えばディスクコンミテータ32が図の矢印Nに示されるように回転する場合に、導電部36の移動において各導電部36に対する切り替わり時に摺接面50aの前側となる一方の長辺に相当する縁50bと後側となる他方の長辺に相当する縁50cとは、各導電部36を分割する境界(隙間)36aに対してディスクコンミテータ32の軸線方向から見た平面視(図2の状態)で導電部36の切り替わり状態で斜行する。
The
したがって、前側の縁50bが各導電部36の次のものに移り始める場合にディスクコンミテータ32の半径方向内側から移り始める。また、後側の縁50cは各導電部36の次のものに移り終わる場合にディスクコンミテータ32の半径方向外側から移り終わる。このようにして、ブラシ部材50の次の導電部36への切り替わりが徐々に行われて、図の矢印Aに示されるブラシ部材50のように隣り合う2つの導電部36に跨ってそれらに整合している状態になり、ディスクコンミテータ32の回転に伴ってそれを繰り返す。
Therefore, when the
この場合のブラシ部材50における導電部36との相対移動量(ディスクコンミテータ32の回転角度)に対する導電部36への接触面積の変化を図3(a)に示し、同様に相対移動量に対するブラシ部材50と導電部36との間の接触抵抗の変化を図3(b)に示す。両図においてブラシ部材50が最初に接触し始める導電部36に対する変化が実線で、次に接触し始める導電部36が二点鎖線で示されている。図に示されるように、最初の導電部36にブラシ部材50が接触し始めると、上記したように徐々に接触面積が増え、それに合わせて接触抵抗も緩やかに低減する。最初の導電部36からの離脱においても同様に緩やかな変化となる。また、2番目の導電部36に対しても同様である。
FIG. 3A shows a change in the contact area to the
このように接触面積及び接触抵抗の変化が緩やかになることにより、整流曲線が図4の実線に示されるように、例えば正電流が流れている状態から負電流が流れる状態に移行する傾斜部分がほぼ直線状になる。この正負の移り変わり傾斜部分は直線に近ければ近いほど整流性が良く、傾斜がほぼ一定であるため大きく変化する部分がなく、火花が生じることを防止し得る。 As the change in the contact area and the contact resistance becomes gentle in this way, as shown in the solid line of FIG. 4, for example, an inclined portion that shifts from a state in which a positive current flows to a state in which a negative current flows is obtained. Almost straight. The closer the slope of the positive / negative transition slope is, the better the rectification is, and since the slope is almost constant, there is no part that changes greatly, and it is possible to prevent the occurrence of sparks.
それに対して従来の台形ブラシの場合を、図3(a)に対応する図5(a)、図3(b)に対応する図5(b)を参照して説明する。なお、それぞれ上記と同様にブラシ部材50が最初に接触し始める導電部36に対する変化が実線で、次に接触し始める導電部36が二点鎖線で示されている。
On the other hand, the case of a conventional trapezoidal brush will be described with reference to FIG. 5A corresponding to FIG. 3A and FIG. 5B corresponding to FIG. In addition, the change with respect to the
図5に示されるように、接触し始めや離脱時に急激な変化となっている。これは、上記したように台形であり、それにより導電部36の境界36aに対してブラシの縁が揃った状態で移り、一気に切り替わるためである。この従来の台形ブラシの場合の整流曲線は図4に二点鎖線で示されるように大きく波打つ傾斜曲線となる。その場合には正電流の一定状態から負側に移り始める時、およびその逆の場合も同様に傾斜が急になり、それにより大きく変化するため火花が生じ易い。
As shown in FIG. 5, the change is abrupt when the contact starts or leaves. This is because it is trapezoidal as described above, so that the edge of the brush is aligned with the
本発明では上記したように整流曲線がほぼ直線に近いため、一定の傾斜で変化し、火花も生じなく、火花発生による摩耗が防止されるため、良好な整流特性が長期に亘って安定する。 In the present invention, since the rectification curve is almost a straight line as described above, it changes with a constant slope, no sparks are generated, and wear due to the occurrence of sparks is prevented, so that a good rectification characteristic is stable over a long period of time.
また、図1および図6に併せて示されるように、ブラシ部材50の摺接面50aには凹部として図示例では矩形における両長辺と平行な1本の溝50dが、摺接面50aにおける摺接する方向に対して中央となる位置に形成されている。これにより、通常形状のブラシの接触圧よりも高い圧力を、ブラシ部材50の両端部(摺接方向前後端部)にバランスよく加えることができるため、ブラシ部材50の両端部に高い接触圧を発生させることができ、ブラシ部材50の両端部はディスクコンミテータ32と確実に摺接するため、モータの使用の初期段階においてもモータの特性が安定化する。なお、凹部としては溝50dに限られるものではなく、また溝50dの場合の延在方向も図示例に限られるものではない。
In addition, as shown in FIGS. 1 and 6, the sliding
このように摺接面50aに溝50dを設けることにより、摺接面50aのディスクコンミテータ32への接触面積が減少するため、同じ(ばね定数などが同一)付勢力のばね51を用いた場合にブラシ部材50の導電部36への単位面積当たりの荷重を上げることができる。さらに、接触圧が上がることにより、ディスクコンミテータ32とブラシ部材50との初期馴染みが早く済み、モータの初期特性が早期に安定化し得る。
By providing the
また、ディスクコンミテータ32の軸線方向から見た平面視でのブラシ部材50(摺接面50a)の形状は、図1の矩形に限られるものではなく、その他の例の一部を図7に示す。図7(a)はブラシ部材50の導電部36に対する相対的な前進方向となる前側の縁50bは上記図示例と同じであるが、相反する側となる後側の縁50cが、ブラシ部材50が隣り合う2つの導電部に36に整合している状態で境界36aに一致する斜辺となるように形成されている。また、図7(b)は図7(a)とは逆に後側の縁50cが境界36aに一致する斜辺となるように形成されている。これらの場合にも、摺接面50aが次の導電部36に切り替わる時に徐々に移行するため、上記した作用効果が得られる。
Further, the shape of the brush member 50 (sliding
32 ディスクコンミテータ
36 導電部
40 ブラシ装置
42 ブラシホルダ
48 ブラシ保持部
50 ブラシ
50a 摺接面
50b・50c 縁
50d 溝
32
Claims (5)
前記ブラシの摺接面における前記摺接する方向の前側と後側との少なくとも一方の縁が、
前記複数のセグメントを分割する境界線上にて当該境界線に対して斜行するように形成されている回転電機のブラシ装置。 A brush device of a rotating electrical machine having a brush that is in sliding contact with a plurality of segments of a disk commutator in which segments made of a fan-shaped conductor are arranged radially on a plane,
At least one edge of the front side and the rear side in the sliding contact direction on the sliding contact surface of the brush,
A brush device for a rotating electrical machine formed so as to be skewed with respect to the boundary line on a boundary line dividing the plurality of segments.
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