JP2011520414A - 少なくとも２つのカーボンブラシ対を備えた電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、１つの正のカーボンブラシおよび１つの負のカーボンブラシから成る、少なくとも２つのブラシ対を備えており、かつ、回転子に電流を供給するために整流子と協働する電気機械に関する。ブラシ対において整流子に対向しているカーボンブラシはそれぞれ自身のブラシホルダでもって受容手段によりブラシプレートに取り付けられている。電気機械の寿命を延ばし、また部品の多様性を限りなく小さくするために以下のことが提案される。カーボンブラシの非対称的な配置構成を達成するために、少なくとも１つのブラシホルダにおいては、受容手段の一方の部分（２１ｂ）が回転子軸（ｘ）に関してある角度（α）だけ中心から、例えば前記ブラシホルダ（１７ａ）の対称軸（ｙ）からずらされており、その他のブラシホルダ（１７）においては、受容手段の一方の部分（２１ｂ）がそれらその他のブラシホルダ（１７）の対称軸（ｙ）上に配置されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載されている、電気機械の回転子に電流を供給するための正のカーボンブラシおよび負のカーボンブラシから構成されている、少なくとも２つのカーボンブラシ対を備えた電気機械に関する。

公知のいわゆる整流器においては、回転子の巻線には整流子を介して、固定的に配置されているカーボンブラシから電流が供給される。電気機械の用途に応じて、カーボンブラシの整流子との接触面は動作時に多かれ少なかれ摩耗する。内燃機関を始動させるために使用される直流モータであれば酷使の度合は極めて大きい。そのような電気機械においてカーボンブラシは少なくとも、主成分として炭素および黒鉛を含有している焼結材料から構成されている。スタータモータは通常の場合、その都度短時間の動作のために約３０，０００〜６０，０００のスイッチングサイクルの寿命を有するように設計されている。

これに対して、スタートストップシステムを備えた自動車にスタータモータが使用される場合には、スタートストッププロセスが頻繁に行われるので、遙かに高いスイッチングサイクルが必要になる。このために、電気機械の全てのカーボンブラシには可能な限り同じ大きさの負荷が均等に掛けられていることが重要である。従来から使用されているスタータモータでは、整流子の周囲にカーボンブラシが同じ角度を空けて配置されている。つまり、例えば６極の電気機械では角度が６０°になる。トルクリプルを低減するために、スタータモータの整流子に関して極数では割りきれない数の薄片が選択される。つまり、例えば６極の電気機械に関しては、２３枚または２８枚の薄片を備えた整流子が使用される。この場合には、正のブラシおよび負のブラシに対して異なる負荷が生じることになる。何故ならば、ブラシ対を成す正のブラシおよび負のブラシは回転方向に依存して、薄片に入る際および薄片から出る際に異なる位置を取っているからである。この差によって、回転方向に依存して決定されるカーボンブラシには薄片に入る際および薄片から出る際に、ブラシ対の他方のカーボンブラシとは異なる電流負荷が掛かるので、ブラシ対もしくは個々のカーボンブラシに対して異なる負荷プロフィールが生じる。さらには、個々のカーボンブラシに掛かる負荷のピークは著しく高くなる。したがってカーボンブラシの経年劣化または摩耗の度合は異なるものとなるので、電気機械が達成できる寿命は個々のカーボンブラシの摩耗がより大きいことに基づき短くなるという問題が生じる。そのような電気機械における個々の対のカーボンブラシはそれぞれ１８０°ずらされている。

電気機械の寿命を延ばすために、カーボンブラシにおける電流負荷および負荷のピークを最適に分散させることによって、全てのカーボンブラシにおいて可能な限り僅かで均一な摩耗を達成することが試みられている。これに関しては、電気機械の少なくとも１つのブラシ対において正のブラシと負のブラシを１８０°とは異なる角度で対向させて配置することが提案されている。カーボンブラシのこのような非対称的な配置構成でもって、カーボンブラシが複数の薄片（通常は１〜１．５の薄片）と重なることによって、カーボンブラシにおける電気的な負荷および負荷のピークを最適に分散させることができる。最適な整流のための整流子の回転方向に応じた対称的な位置からの個々のカーボンブラシずれは種々様々であるので、左回りに対しては右回りの場合とは異なる配置構成が選択されなければならない。さらには、薄片数に応じて、個々のカーボンブラシの異なる大きさの非対称的な配置構成が生じる。カーボンブラシは、固定的に取り付けられているブラシプレートに公知のように受容手段を用いて掛けられるブラシホルダ内に収容されているので、必要とされる個々のカーボンブラシの非対称的な配置構成を達成するため種々の多数のブラシプレートおよびブラシホルダが必要になる場合には不利である。

本発明によれば、個々のカーボンブラシの非対称的な配置構成を達成するために、部品の多様性は可能な限り小さいものにされることが試みられる。

発明の概要
請求項１の特徴部分に記載されている特徴を有する電気機械は、画一的なブラシプレートを用いて、個々のカーボンブラシの回転方向に依存する非対称的な配置構成を２つの回転方向に対して実現することができるという利点を有しており、左回りまたは右回りに関してカーボンブラシを対称的および非対称的に配置するための種々のブラシプレートは必要ない。この解決手段は、非対称的に配置すべきカーボンブラシにしかブラシホルダにおける相応に変更された受容手段の一部が必要とされないという更なる利点を有する。この相応に変更された受容手段の一部をブラシプレートの対称的に配置された受容手段に使用することができる。回転子の回転方向に応じて、受容手段の一部はブラシホルダの中心から角度αだけ右方または左方にずらされている。プラスチックから成るブラシホルダの使用下では、ブラシホルダを製造するために基本ツールを使用し続けることができる。この場合、回転方向に依存する種々のホルダに関しては、ブラシホルダの裏面における収容手段の一部の位置を決定する、ツールの対向部分のみが適合されればよい。

従属請求項に記載されている構成によって、請求項１に記載されている特徴の有利な実施形態および発展形態が得られる。

本発明によれば、２つのブラシ対を備えた整流器において、１つのブラシホルダだけに受容手段が簡単なやり方で中心から側方にずらされて配置される。これとは異なり、ブラシ対の各正のカーボンブラシまたは各負のカーボンブラシにおいて、ブラシホルダの受容手段をずらすことも可能である。さらに好適には、整流子の薄片数に応じて、受容手段はある程度の大きさの角度α分ブラシホルダの中心からずらされて配置されている。最も簡単な場合、ブラシプレートにおける受容手段は溝として構成されており、ブラシホルダにおいてこの溝に適合するよう設けられている受容手段はリブとして構成されている。受容手段の溝とリブは回転子軸について放射状に配向されている。ブラシプレートにおけるブラシホルダの殊に有利で簡単な受容手段は以下のようにして実現される。すなわち、溝がブラシプレートの内周面に向かって開かれており、リブがプラスチックから製造されているブラシホルダの裏面に配置されており、またブロック状ないしシュー状の平坦な突出部がブラシプレートの裏側において嵌合される。内燃機関のための６極スタータモータに本発明を使用する場合、回転子軸に関して角度αは回転子の回転方向とは反対方向において２°の角度を成し、この角度だけブラシホルダの受容手段は対称軸からずらされている。

理想的な場合、４つのカーボンブラシを備えた６極整流器では、２つの負のカーボンブラシのうちの一方のみが、ずらされた受容手段を備えたブラシホルダを有している。６つのカーボンブラシを備えた６極整流器では、理想的には３つ全ての負のカーボンブラシが、それぞれずらされた受容手段を備えたブラシホルダを有している。

以下では、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

２つのブラシ対を備えた６極スタータモータの断面図を示す。 受容手段を備えたブラシホルダならびにブラシホルダを嵌め込むための受容手段を備えたブラシプレートの一部を示す。 受容手段が対称的に配置されているブラシホルダの裏面を示す。 受容手段が非対称的に配置されているブラシホルダを示す。 受容手段が非対称的に配置されており、かつ、斜めに延びるブラシホルダの別の実施例を示す。 １つのブラシプレートと４つのカーボンブラシを備えた整流子の概略図を示し、１つのカーボンブラシが非対称的に配置されている。 １つのブラシプレートと６つのカーボンブラシを備えた整流子別の実施例の概略図を示し、３つの負のカーボンブラシが非対称的に配置されている。

図１には、電気整流器が整流子の領域において断面図で示されている。この整流器はスタートストップシステムを備えた自動車における内燃機関のためのスタータモータとして使用される。参照番号１０が付されたスタータモータは固定的な磁極ケーシング１１を有する。この磁極ケーシング１１の前方部分の内周面には、破線により示唆されている６つの磁極１２が配置されており、これらの磁極１２は、回転子軸１３に固定されている図示されてはいない回転子と協働する。回転子巻線には、後方の軸端部に固定されている整流子１５の薄片１４を介して電流が供給される。薄片は４つのカーボンブラシ１６と協働する。これらのカーボンブラシ１６はブラシホルダ１７を介して軸方向にスライドできるようにブラシプレート１８に固定されている。金属性のブラシプレート１８は電気機械の後方の端部に固定されており、また磁極ケーシング１１を介して接地されている。カーボンブラシ１６は２つのブラシ対を形成しており、各対はそれぞれ１つの正のカーボンブラシと１つの負のカーボンブラシから構成されている。２つの正のカーボンブラシはそれぞれ１つの接続線１９を介して、磁極ケーシング１１を貫通して外方に向かって延びているプラグ型接続部２０と接続されている。これに対し、２つの負のカーボンブラシの接続線１９はブラシプレート１８の舌片１８ａに溶接されており、またそれにより接地されている。カーボンブラシ１６はそれぞれ自身のブラシバネ２２によって軸方向にスライド可能であるようにブラシホルダ１７，１７ａ内に収容されている。

図２には、ブラシホルダ１７が受容手段２１を用いてブラシプレート１８に取り付けられることが示されている。この立体的に示されている図２から見て取れるように、ブラシプレート１８における受容手段の一方の部分２１ａは溝として構成されており、この溝はブラシプレート１８の内周面に向かって開かれている。対応部材として、プラスチックから製造されているブラシホルダ１７の裏面には、受容手段の他方の部分２１ｂがリブとして構成されており、この受容手段の他方の部分２１ｂがブラシプレートの溝２１ａに差し込まれる。受容手段の他方の部分２１ｂが溝２１ａに差し込まれると、平坦なブロック状の突出部２１ｃはそれぞれブラシプレート１８の裏側において噛合される。受容手段２１の溝２１ａおよびリブ２１ｂはそれぞれ回転子軸ｘについて放射状に配向されている。溝２１ａはブラシプレート１８において対称的にそれぞれ６０°間隔で配置されており、１８０°ずれた直径上で向かい合う溝と対になっている。

３つのブラシホルダ１７の裏面には受容手段の他方の部分２１ｂが設けられている。この受容手段の他方の部分２１ｂは、図３に示されているように、対称軸ｙ上に位置するブラシホルダ１７の中心において垂直に配置されている。これに対しブラシホルダ１７ａの受容手段の他方の部分２１ｂは、４つのカーボンブラシの非対称的な配置構成を達成するために、図４に示されているように回転子軸ｘに関して角度αだけブラシホルダ１７ａの対称軸ｙの中心からずらされている。ブラシホルダ１７ａを備えたカーボンブラシ１６は９０°の角度βでもって整流子１５の表面に垂直に配向されている。電気機械の回転方向に依存して、受容手段の他方の部分２１ｂを左方または右方にずらしてブラシホルダ１７に配置することができる。図４によれば、受容手段の他方の部分２１ｂは整流子１５の回転方向とは反対方向である右方に角度αだけずらされている。

図５には、整流器に対して斜めに延びて配置されているブラシが概略的に示されている。ブラシホルダ１７ａ’の対称軸ｙは整流子１５の薄片表面に対して９０°以上の角度βを成している。ここでもまた、非対称的に配置すべきブラシホルダ１７ａ’の受容手段の他方の部分２１ｂは回転子軸ｘに関して角度αだけブラシホルダ１７ａの中心から電気機械の回転方向とは反対方向にずらされており、また回転子軸ｘに関して放射状に配向されている。

図６は、６極整流器におけるブラシプレート１８上の４つのカーボンブラシ１６の配置構成が概略的に示されている。２つの負のカーボンブラシのうちの一方のみが、角度αだけブラシホルダ１７ａの中心からずらされている受容手段の他方の部分２１ｂを備えたブラシホルダ１７ａを有している。整流子１５の薄片数に応じて、該当する受容手段の部分はある程度の角度αをもってブラシホルダ１７ａの中心からずらされていなければならない。この実施例においては、整流子１５が２８枚の薄片を備えているので角度α＝２°となる。これにより、回転方向においてこの負のカーボンブラシに隣接する正のカーボンブラシとの角度はγ＝６０°−α＝５８°となる。したがって回転方向とは反対方向においてこの負のカーボンブラシに隣接する負のカーボンブラシ１６との角度は１２２°となる。整流子が例えば２３枚の薄片を備えている場合、６極整流器では角度αは２°〜３°の範囲にある。

図７には、６つのカーボンブラシ１６を備えた６極整流器の別の実施例が概略的に示されている。この実施例においては、３つ全ての負のカーボンブラシ１６が角度αだけずらされた受容手段の他方の部分２１ｂを備えたブラシホルダ１７ａを有している。つまりこの実施例によって、３つ全ての負のカーボンブラシ１１６においては、整流子１５の回転方向にそれぞれ隣接しているカーボンブラシ１６に対して角度γ＝６０°−αが得られる。したがって角度α＝２°であれば、角度γ＝５８°となる。つまり、回転方向とは反対方向にそれぞれ隣接している正のカーボンブラシ１６に対する角度はそれぞれ６２°となる。

本発明は、上述の実施例に限定されるものではない。図６による実施例の代わりに、ずらされた受容手段の他方の部分を備えたブラシホルダ１７ａ内に両方の負のカーボンブラシを配置することもできる。同様に図７による実施例において、３つの負のカーボンブラシ１６のうちの１つだけ、もしくは２つを、ずらされた受容手段の他方の部分２１ｂ備えたブラシホルダ１７ａ内に配置することも可能である。また、本発明による解決手段の原理は、整流器の薄片数を極数によって割り切れない限りにおいて、４極整流器、８極整流器または１２極整流器においても実現することができる。さらに本発明の範囲においては、ブラシホルダとブラシプレートとの間の受容手段も構造上異なるように構成することができる。しかしながら、部品の不必要な多様性を回避するために、ブラシプレート１８は電気機械の回転方向および整流子１５の薄片数に依存せずに、カーボンブラシ１６のための受容手段の一方の部分２１ａが画一的に対称的に配置されていること、また、受容手段の他方の部分２１ｂが電気機械の回転方向に依存して右方または左方にある程度の角度αだけ中心からずらされることによって個々のブラシホルダしか変更されないことが重要である。もっとも簡単な場合、ブラシホルダの緩い受容手段または嵌合部を介して、位置固定されたブラシプレートにおいてブラシホルダを固定することができ、ブラシホルダの固定はブラシバネ、カーボンブラシおよび整流子を介して行われる。しかしながら、ブラシホルダをリベット留めによってブラシプレートに接続させることも考えられる。そのようなケースにおいても、ブラシの非対称的な配置を達成するために、ブラシホルダにおけるリベット受容部は角度αだけブラシホルダの中心からずらされていなければならない。

Claims (10)

1. １つの正のカーボンブラシおよび１つの負のカーボンブラシから成る、少なくとも２つのブラシ対を備えており、かつ、回転子に電流を供給するために整流子（１５）と協働する、電気機械（１０）であって、
   前記ブラシ対において前記整流子に対向しているカーボンブラシはそれぞれ自身のブラシホルダ（１７）でもって受容手段（２１）によりブラシプレート（１８）に取り付けられており、前記受容手段（２１）はそれぞれ、前記ブラシプレート（１８）における受容手段の一方の部分（２１ａ）と、前記ブラシホルダ（１７ａ）における受容手段の他方の部分（２１ｂ）とから構成されており、前記受容手段は前記ブラシプレートにおいて１８０°の角度で対向している形式の電気機械（１０）において、
   前記カーボンブラシ（１６）の非対称的な配置構成を達成するために、少なくとも１つのブラシホルダ（１７ａ）においては、受容手段の他方の部分（２１ｂ）が回転子軸（ｘ）に関してある角度（α）だけ中心から、例えば前記ブラシホルダ（１７ａ）の対称軸（ｙ）からずらされており、
   その他のブラシホルダ（１７）においては、受容手段の他方の部分（２１ｂ）がそれらその他のブラシホルダ（１７）の対称軸（ｙ）上に配置されていることを特徴とする、電気機械（１０）。
2. 前記ブラシ対の各正のカーボンブラシまたは各負のカーボンブラシにおいて、前記ブラシホルダ（１７ａ）の前記受容手段の他方の部分（２１ｂ）がずらされている、請求項１記載の電気機械。
3. 電気機械（１０）の回転方向に依存して、前記ブラシホルダ（１７ａ）における前記受容手段の他方の部分（２１ｂ）が左方または右方にずらされている、請求項１または２記載の電気機械。
4. 電気機械の極数では割り切れない前記整流子（１５）の薄片数に依存して、前記受容手段の他方の一部（２１ｂ）はある程度の大きさの角度（α）分、前記ブラシホルダ（１７ａ）の中心からずらされている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機械。
5. 前記ブラシプレート（１８）における前記受容手段の一方の部分（２１ａ）は溝として構成されており、前記ブラシホルダ（１７ａ）における前記受容手段の他方の部分（２１ｂ）はリブとして構成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気機械。
6. 前記受容手段（２１）の溝（２１ａ）および（リブ２１ｂ）は前記回転子軸（ｘ）について放射状に配向されている、請求項５記載の電気機械。
7. 前記溝（２１）が前記ブラシプレート（１８）の内周面に向かって開かれており、前記リブ（２１ｂ）がプラスチックから製造されている前記ブラシホルダ（１７ａ）の裏面に配置されており、ブロック状の平坦な突出部（２１ｃ）が前記ブラシプレート（２１）の裏側において嵌合される、請求項６記載の電気機械。
8. ４つのカーボンブラシ（１６）を備えた６極整流器（１０）において、２つの負のカーボンブラシのうちの一方のみが、ずらされた受容手段の他方の部分（２１ｂ）を備えたブラシホルダ（１７ａ）を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機械。
9. ６つのカーボンブラシ（１６）を備えた６極整流器（１０）において、３つ全ての負のカーボンブラシが、ずらされた受容手段の他方の部分（２１ｂ）を備えたブラシホルダ（１７ａ）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械。
10. 内燃機関のための６極スタータモータ（１０）において、前記薄片数が電気機械の極数で割り切れない場合、前記角度（α）は前記回転子の回転方向とは反対方向において２°から３°の値を有する、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械。

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