JP2012170312A - 整流子電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】整流子と巻線の締結部の劣化を防ぎ、スパークによるブラシの磨耗を抑制し、ブラシの電気良導性を維持しながら、長寿命で高効率な整流子電動機を提供することを目的とする。
【解決手段】ブラケット１２には、ブラシ部２０に含まれるブラシ保持器２５が固定されている。ブラシ部２０は、このブラシ保持器２５とブラシ２１とブラシバネ２７とを含む構成である。ブラシ２１は、人造黒鉛等のカーボンブラシ材へ固体潤滑剤を含む組成で構成される。このようなブラシ２１が、ブラシ保持器２５内に保持されるとともに、ブラシバネ２７によって整流子４５へと押圧されている。整流子電動機１１は、一対のこのようなブラシ部２０を有しており、その一対のブラシ２１がそれぞれに、整流子４５に当接している。
【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用掃除機や電動工具等に使用される整流子電動機に関する。

近年、家庭用掃除機や電動工具等に使用される整流子電動機は、特に小型化と大容量化が進んでいる。これに伴い、カーボンブラシ（以下、ブラシという）についても、小型化しても抵抗損失が小さく、かつ、磨耗が少ないものの需要が増大している。

従来、整流子電動機用のブラシには、抵抗率の小さな材質を使用すると、抵抗損は小さくなるが、スパークが発生し易くなり、ブラシの磨耗が増加するという課題があった。

一方、ブラシに抵抗率の大きな材質を使用すると、スパークは発生し難くなり、磨耗は抑制できるものの、抵抗損失が増加し、発熱による温度上昇が発生する。ここで、リード銅線がブラシに接続される圧縮・接合部分には、銅粉が使用されている。そして、ブラシの温度が上昇すると、この銅粉やリード銅線が酸化しやすくなる。さらに、このような酸化が進むと、通電性が悪くなり、ついには電動機が停止するという課題があった。

上記のような課題があるため、整流子電動機において、長寿命と高効率とを同時に実現することは難しかった。

また、整流子電動機用のブラシの中でも、電気掃除機用等のような高速回転の電動機では、高速回転時にも整流が良好で、かつ、掃除機本体の使用可能期間中にブラシ交換の必要が無いようにブラシ寿命が長いことが必要とされる。その対策として、黒鉛粉を樹脂バインダーで結合し硬化したレジンボンド系のブラシが使用されることがある。しかし、レジンボンド系のブラシは、ブラシ本体の抵抗率が大きいので、電流密度を大きくすると温度が上昇し、バインダーに使用している樹脂が劣化し、長寿命化を図るには限度があった。

また、従来、ブラシの長寿命化を図るために、ブラシの整流開始側部を抵抗率の小さい材質とし、整流終了側部を抵抗率の大きい材質とした技術が提案されている。（例えば、特許文献１参照)。

特開昭６１−７３５５０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のブラシの場合、ブラシの摺動方向において抵抗率を変化させているものの、ブラシと整流子の接触面において、摺動方向の直角方向（すなわち、回転軸の延伸方向）では均一な電流密度が形成されており、摺動方向の直角方向でブラシの耐スパーク性や耐摩耗性は変化しない。このことから、ブラシと整流子との間で発生するスパークの影響に十分に対応することができず、更なるブラシの長寿命化が難しいという課題があった。

すなわち、電気掃除機用等の、巻線が締結された円筒状の整流子を有する整流子電動機の場合、整流子において巻線締結部に最も強い遠心力が加わる。遠心力が強い箇所ほど、整流子片間段差が大きくなり、ブラシと整流子のチャタリングが起こりやすくなる。よって、スパークの発生頻度は整流子片の高さ方向（摺動方向の直角方向）で変化することになり、ブラシの摩耗性も高さ方向で変化することになる。このことにより、従来のブラシのように、ブラシの高さ方向で均一な電流密度が形成される構成では更なるブラシの長寿命化が難しいという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ブラシ摩耗を抑制し、長寿命で高効率な整流子電動機を提供する。

第１の発明は、界磁コアに界磁巻線を巻回したステータと、
電機子巻線を巻回した電機子コアと、前記電機子巻線が巻線締結部に締結された整流子と、高さ方向に延伸する回転軸とを有し、前記回転軸を中心として前記ステータ内に回転自在に配置されたロータと、
前記整流子と接触摺動するブラシとを備えた整流子電動機であり、
前記ブラシは、前記整流子との接触面の高さ方向において、電流密度が異なる整流子電動機である。

第２の発明は、第１の発明において、前記ブラシは、前記整流子との接触面の高さ方向において、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部よりも、前記巻線締結部に近いブラシ構成部の方の抵抗率が高い整流子電動機である。

第３の発明は、第２の発明において、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部に低抵抗な材質を用い、前記巻線締結部に近いブラシ構成部に高抵抗な材質を用いた整流子電動機である。

第４の発明は、第１の発明において、前記ブラシは、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部よりも、前記巻線締結部に近いブラシ構成部の成形加圧力を低くして形成された整流子電動機である。

第５の発明は、第１の発明において、前記ブラシは、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部よりも、前記巻線締結部に近いブラシ構成部での接触圧力を低くして、前記整流子と接触摺動する整流子電動機である。

本発明の整流子電動機は、ステータとロータとブラシとを備える。ステータは、界磁コアに界磁巻線を巻回している。ロータは、電機子巻線を巻回した電機子コアと、電機子巻線が巻線締結部に締結された整流子と、高さ方向に延伸する回転軸とを有し、回転軸を中心としてステータ内に回転自在に配置されている。また、ブラシは、整流子と接触摺動する。さらに、ブラシは、整流子との接触面の高さ方向において、電流密度が異なる構成である。

この構成により、強い遠心力が加わり最も劣化しやすい巻線締結部付近箇所の電流密度を適切に設定して、整流子片間段差の形成によるブラシと整流子とのチャタリングにより発生するスパーク摩耗を軽減できる。結果として、ブラシの耐久性を向上させることが可能となる。したがって、本発明によれば、ブラシ摩耗を抑制し、長寿命で高効率な整流子電動機を提供できる。

本発明の実施例における整流子電動機を備えた電動送風機の構成を示す部分断面図 図１におけるＡ−Ａで示した箇所の断面図 本発明の実施例における整流子電動機の要部を示す側面図 本発明の実施例における整流子電動機のブラシと整流子との拡大斜視図

以下、本発明を実施するための形態を、各実施例にて図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例における整流子電動機を用いた電気機器について図面を参照しながら説明する。本実施例ではこのような電気機器の一例として、電気掃除機に具備される本整流子電動機を用いた電動送風機を挙げて説明する。

図１は、本発明の実施例における整流子電動機１１を備えた電動送風機１０の構成を示す部分断面図である。

電動送風機１０は、一方を開口した略カップ状のブラケット１２内に、本実施例の整流子電動機１１を設けた構成である。整流子電動機１１は、図１に示すように、界磁であるステータ３０と、電機子であるロータ４０と、ブラシ部２０とを含み構成されている。

ステータ３０は、鉄などで構成された界磁コア３１に界磁巻線３２を巻回している。界磁コア３１は、例えば所定形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。また、界磁コア３１は、その内側に、磁極となる磁極部３１ａを有するとともに、ロータ４０を配置するための空間部を有している。このようなステータ３０がブラケット１２の内側に固定されている。

一方、ロータ４０は、電機子コア４１と電機子巻線４２と回転軸４３と整流子４５とを含み構成されている。電機子コア４１には、電機子巻線４２が巻回されている。整流子４５には、電機子コア４１から引き出された電機子巻線４２の一部が接続される。電機子コア４１および整流子４５は円筒状を成し、電機子コア４１および整流子４５の中心を貫通するように回転軸４３が結合されている。この回転軸４３の両端が、それぞれ軸受１３によって回転自在に支承されている。このように構成されたロータ４０は、電機子コア４１と界磁コア３１に形成された磁極部３１ａとが対面した状態で、ステータ３０の内周側に配置されている。

そして、ブラケット１２には、ブラシ部２０に含まれるブラシ保持器２５が固定されている。ブラシ部２０は、このブラシ保持器２５とブラシ２１とブラシバネ２７とを含む構成である。ブラシ２１は、人造黒鉛等のカーボンブラシ材へ固体潤滑剤を含む組成で構成される。このようなブラシ２１が、ブラシ保持器２５内に保持されるとともに、ブラシバネ２７によって整流子４５へと押圧されている。整流子電動機１１は、一対のこのようなブラシ部２０を有しており、その一対のブラシ２１がそれぞれに、整流子４５に当接している。以上のようにして、整流子電動機１１が構成されている。

また、電動送風機１０において、ブラケット１２の開口した側を覆うように、ファンケース１５が取り付けられている。ロータ４０の回転軸４３は、ブラケット１２の開口からファンケース１５内へと延伸し、その回転軸４３の先端部には、遠心ファン１６が取り付けられている。さらに、遠心ファン１６とブラケット１２の開口との間には、エアガイド１７が取り付けられている。このように、ファンケース１５内には遠心ファン１６およびエアガイド１７が配置されている。

以上のように構成された電動送風機１０において、外部から整流子電動機１１に電力が供給されると、電機子電流がブラシ２１および整流子４５を介して電機子巻線４２に流れるとともに、ステータ３０の界磁巻線３２には界磁電流が流れる。そして、界磁電流によって界磁コア３１で発生した磁束と、電機子巻線４２を流れる電機子電流との間で力が発生し、ロータ４０が回転する。このロータ４０の回転に伴なって、遠心ファン１６が回転する。この回転によって、吸気口１８から空気が吸入されて遠心ファン１６の中に流れ込み、ブラケット１２内を経て、電動送風機１０の外に排出される。

次に、整流子電動機１１のさらに詳細な構成について説明する。

図２は、図１における、Ａ−Ａで示した箇所の断面図である。すなわち、回転軸４３の延伸方向から見た整流子４５およびブラシ部２０の主要な構成を示している。

図２に示すように、整流子４５は、その周囲に等間隔で複数の整流子片４５ａが形成されている。各整流子片４５ａは、金属で形成され、ブラシ２１と接触することで電機子巻線４２の電流を供給する。

また、一対のブラシ部２０において、ブラシ保持器２５は、回転軸４３と直交する径方向に沿って整流子４５と対向して配設される。また、ブラシ保持器２５は、筒状を成し、整流子４５と相対する位置に開口部２９を有する。そして、ブラシ保持器２５内には、ブラシ２１とブラシバネ２７とが配設される。

ブラシバネ２７は、螺旋状のバネで構成される。ブラシバネ２７は、一端をブラシ２１の反接触面へと当接され、他端をブラシ保持器２５外周側の壁面へと当接される。ブラシバネ２７は、ブラシ保持器２５において、開口部２９を介してブラシ２１を整流子４５へ押圧するよう配設される。すなわち、ブラシ２１は、ブラシバネ２７の弾性力によって、その接触面が整流子４５へと押圧され、これによって、ブラシ２１と整流子４５に形成された整流子片４５ａとが電気的に接続される。このようにして、ブラシ２１は、ブラシ保持器２５内でブラシバネ２７により径方向に移動して整流子４５と接触摺動する。また、ブラシ２１には、ブラシ２１に電流を供給するためのリード銅線２８が接続されている。リード銅線２８は、ブラシバネ２７の螺旋状内部を通って、一端がブラシ２１の反接触面に接合され、他端がブラシ保持器２５外周側の壁面に溶着される。

図３は、本発明の実施例における整流子電動機１１の要部を示す側面図である。

図３に示すように、電機子コア４１と整流子４５が、回転軸４３に圧入、焼バメ等の方法で接合されている。電機子コア４１には、電機子巻線４２が巻回されている。巻回された電機子巻線４２は、部分的に複数の引出線４２ａとして整流子４５側に引出されている。一方、各整流子片４５ａの電機子コア４１側の端部には、折曲形状の巻線締結部４５ｂが形成されている。この巻線締結部４５ｂに、引出線４２ａそれぞれが接合され、これによって、ブラシ２１から整流子片４５ａを介して電機子巻線４２へと電気的に接続される。

さらに、本実施例では、図３に示すように、ブラシ２１が、第１のブラシ構成部２１ａと第２のブラシ構成部２１ｂとの２重構造を有している。

ところで、上述したように、整流子４５では巻線締結部４５ｂに最も強い遠心力が加わる。このため、整流子４５は、巻線締結部４５ｂに近い接触面でチャタリングが起こりやすく、ブラシ２１とのスパークも発生しやすくなる。本実施例では、このようなスパークの発生を抑制するために、ブラシ２１を多重構造としている。

次に、このようなブラシ２１の詳細な構成について説明する。

図４は、本発明の実施例における整流子電動機１１のブラシ２１と整流子４５との拡大斜視図である。

図４に示すように、ブラシ２１とロータ４０の整流子４５とが接触摺動しており、実線の矢印Ｒは整流子４５の回転方向である。また、図４では、ブラシ２１が、長さ方向の長さＬ、幅方向の幅Ｗ、高さ方向の高さＨの大きさとした例を示している。

本発明に係るブラシ２１は、ロータ４０の回転動作時、ブラシ２１と整流子４５との接触面において、巻線締結部４５ｂに近い箇所と巻線締結部４５ｂから遠い箇所とで異なった電流密度としている。すなわち、ブラシ２１は、回転軸４３の延伸方向となる高さＨの方向で、異なった抵抗率を有している。そして、ブラシ２１は、巻線締結部４５ｂから遠いブラシ構成部よりも、巻線締結部４５ｂに近いブラシ構成部を高い抵抗率としている。本発明は、このようなブラシ２１の構成とすることで、整流子４５のチャタリングが発生しやすい巻線締結部４５ｂ付近での電流密度を小さくし、スパークの発生を抑制している。

図４では、巻線締結部４５ｂから遠い第１のブラシ構成部２１ａを抵抗率ρ１とし、巻線締結部４５ｂに近い第２のブラシ構成部２１ｂを抵抗率ρ２とした構成例を示している。そして、抵抗率ρ１よりも抵抗率ρ２を高い抵抗率としている。また、第１のブラシ構成部２１ａよりも第２のブラシ構成部２１ｂの抵抗率を高くするため、第２のブラシ構成部２１ｂに高抵抗な材質を用い、第１のブラシ構成部２１ａに低抵抗な材質を用いている。また、他の手法として、ブラシ２１の製造時において、第１のブラシ構成部２１ａよりも第２のブラシ構成部２１ｂの成形加圧力を低くして、第１のブラシ構成部２１ａよりも第２のブラシ構成部２１ｂを高抵抗率にしてもよい。また、整流子４５とブラシ２１の接触圧力を、第２のブラシ構成部２１ｂよりも第１のブラシ構成部２１ａを高くすることにより、第１のブラシ構成部２１ａよりも第２のブラシ構成部２１ｂの接触抵抗を高くしてもよい。

また、本実施例では、ブラシ２１を２重構造とした例を挙げたが、多重構造としてもよい。すなわち、ブラシ２１の抵抗率は、高さＨの方向において、段階的に抵抗率が変化する形態も可能である。この場合、ブラシ２１の抵抗率は巻線締結部４５ｂ側から、巻線締結部４５ｂ逆側へ段階的に低下していくブラシ２１の構成とすればよい。

以上説明したように、本発明の整流子電動機は、ステータとロータとブラシとを備える。ステータは、界磁コアに界磁巻線を巻回している。ロータは、電機子巻線を巻回した電機子コアと、電機子巻線が巻線締結部に締結された整流子と、高さ方向に延伸する回転軸とを有し、回転軸を中心としてステータ内に回転自在に配置されている。また、ブラシは、整流子と接触摺動する。そして、このブラシは、整流子との接触面の高さ方向において電流密度が異なる構成である。

この構成により、整流子の巻線締結部付近での電流密度を小さくすることで、スパークの発生を抑制でき、ブラシの耐久性を向上させることが可能である。このため、本発明によれば、ブラシの電気良導性を維持しながら、ブラシの耐久性を向上させることができ、高効率で長寿命な整流子モータを実現することが可能である。

本発明における整流子電動機は、家庭用掃除機や電動工具等に使用される整流子電動機など、ブラシの電気良導性と耐久性を両立させることを必要とする整流子電動機に有用である。

１０ 電動送風機
１１ 整流子電動機
１２ ブラケット
１３ 軸受
２０ ブラシ部
３０ ステータ
３１ 界磁コア
３２ 界磁巻線
３１ａ 磁極部
４０ ロータ
４１ 電機子コア
４２ 電機子巻線
４３ 回転軸
４５ 整流子

Claims (5)

1. 界磁コアに界磁巻線を巻回したステータと、
   電機子巻線を巻回した電機子コアと、前記電機子巻線が巻線締結部に締結された整流子と、高さ方向に延伸する回転軸とを有し、前記回転軸を中心として前記ステータの内に回転自在に配置されたロータと、
   前記整流子と接触摺動するブラシとを備えた整流子電動機であり、
   前記ブラシは、前記整流子との接触面の高さ方向において、電流密度が異なることを特徴とする整流子電動機。
2. 前記ブラシは、前記整流子との接触面の高さ方向において、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部よりも、前記巻線締結部に近いブラシ構成部の方の抵抗率が高いことを特徴とする請求項１に記載の整流子電動機。
3. 前記巻線締結部から遠いブラシ構成部に低抵抗な材質を用い、前記巻線締結部に近いブラシ構成部に高抵抗な材質を用いたことを特徴とする請求項２に記載の整流子電動機。
4. 前記ブラシは、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部よりも、前記巻線締結部に近いブラシ構成部の成形加圧力を低くして形成されたことを特徴とする請求項１に記載の整流子電動機。
5. 前記ブラシは、前記巻線締結部から遠いブラシ構成部よりも、前記巻線締結部に近いブラシ構成部での接触圧力を低くして、前記整流子と接触摺動することを特徴とする請求項１に記載の整流子電動機。

Images