JP2014147232A - 整流子及び直流モータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、コスト低減及び軽量化を図るためにアルミニウム巻線を使用するにあたり、異種素材であるアルミ巻線と銅セグメントの接触状態の確認を確実に行うとともに、腐食防止を実現できる整流子及び直流モータを提供することにある。
【解決手段】周方向に複数配置された整流子セグメント４０を備えた整流子４に関する。
整流子セグメント４０は、整流子４の外側面に周方向に整列して整流子４の側面輪郭を形成する銅製のセグメント本体４１と、電機子３を構成するアルミニウム製の巻線２が連結される銅製の爪部４２とを有して構成されており、整流子４の外周部分には、爪部４２が配設される接合部配設部５２が形成されており、この接合部配設部５２には、爪部４２と巻線２との連結部分が少なくとも配設されるとともに、この連結部分は、接合部配設部５２において樹脂Ｔにより被覆されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、整流子及び直流モータに係り、特に、簡易な構成で所望の通電確保が可能な整流子及び直流モータに関するものである。

一般的に、整流子を使用した直流モータにおいては、この整流子に直流モータの回転中心となる回転軸が固定されており、電機子（アーマチャ）もまたこの回転軸に固定されている。
そして、整流子に摺接するよう配設されたブラシに流れる電流が、この整流子により整流されて電機子に巻回された巻線に電流が流れ、磁界が発生する。
この巻線に生じた磁界に対し、永久磁石の吸引力・反発力が働くことにより電機子が回転するよう構成されている。

このような直流モータに備えられる整流子においては、低コスト化若しくは軽量化のため、アルミニウム巻線を用いた回転電機（直流モータ）が考えられている。
このように、アルミニウム巻線を使用する構成とすると、異素材である銅の整流子とアルミニウム巻線の接合性を高める技術が必要となる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、スタータモータの構成が開示されている。
特許文献１に記載のスタータモータのアーマチャコイルはアルミニウム線材で構成されている。
そして、コンミテータ（整流子）を構成するセグメントは、第１の環状体と第２の環状体の２部材で形成されている。
つまり、セグメントの内周部にはアルミニウム製の第１の環状体が配設されるとともに、この第１の環状体の外側面には銅製の第２の環状体が配設されて、セグメントが形成されている。
そして、このセグメントが、シャフトを貫通させるリングとともに樹脂モールドされて、コンミテータ（整流子）が構成される。
そして、内側に配設される第１の環状体（アルミニウム製）にアルミニウム巻線を接合するとともに、この結線された第１の環状体を、銅からなる第２の環状体と接触させることによって、両者の接合性を高めている。

実願昭６２−１９７８０９号（実開平０１−１０１１５９号）の全文明細書及び図面

しかし、特許文献１に記載されたような技術によると、アルミニウムからなる第１の環状体と、銅からなる第２の環状体とは、金属が異種であるため腐食が発生するという可能性があった。
しかも、その異種の材質の接触部位が整流子内部であると、接触状態の確認が困難であり、腐食防止が困難となる可能性があった。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、コスト低減及び軽量化を図るためにアルミニウム巻線を使用するにあたり、異種素材であるアルミ巻線と銅セグメントの接触状態の確認を確実に行うとともに、腐食防止を実現できる整流子及び直流モータを提供することにある。

上記課題は、本発明に係る整流子によれば、周方向に複数配置された整流子セグメントを備えた整流子であって、前記整流子セグメントは、前記整流子の外側面に周方向に整列して前記整流子の側面輪郭を形成する銅製のセグメント本体と、電機子を構成するアルミニウム製の巻線が連結される銅製の爪部と、を有して構成されており、前記整流子の外周部分には、前記爪部が配設される接合部配設部が形成されており、該接合部配設部には、前記爪部と前記巻線との連結部分が少なくとも配設されるとともに、該連結部分は、前記接合部配設部において樹脂により被覆されていることにより解決される。

このように構成されていることにより、銅製の整流子セグメントを構成する銅製の爪部とアルミニウム製の巻線との連結部分は、樹脂部内に位置することとなる。
つまり、樹脂モールドされる際、同時にモールドされることとなり、この樹脂によって外気から遮断されることとなる。
よって、腐食を防止することが可能となるとともに、確実に接合状態を維持することができる。
また、連結部分を整流子の外側に配置するようにしたため、連結部分の確認が容易かつ確実となる。
なお、この樹脂を透明又は半透明の樹脂とすれば、視認による接合状態の確認もまた容易なものとなる。
このため、アルミニウム巻線を有効に使用することができ、低コスト化及び軽量化に寄与することとなる。

また、このとき、前記接合部配設部には、前記巻線の端部を前記爪部側に導入するとともに、前記巻線を保持することができる巻線保持溝が形成された壁部が形成されていると好適である。
このように構成されていると、巻線保持部に巻線を確実に保持できる。

更にこのとき、前記整流子は、複数の前記整流子セグメントが外側面に配設されるとともに、回転軸を貫通させるための貫通孔が軸方向に貫通するように穿たれた樹脂部を備えて構成されており、前記接合部配設部は、前記樹脂部と一体で成形されていると好適である。
そして、前記爪部は、前記整流子セグメントのブラシ本体摺接面から、前記整流子の径方向外側へ向かって延出しており、前記接合部配設部は、前記爪部と同方向に、前記樹脂部から延出するよう構成されていると好適である。
このように構成されていると、部品点数を削減することができ、コスト面において有利となる。

また、このとき、前記整流子セグメントは、前記樹脂部及び前記接合部配設部とともに一体的に構成されており、
前記爪部のうち、前記連結部分を含む少なくとも一部は外側へ露出するよう構成されるとともに、前記連結部分の裏面側の少なくとも一部もまた外部へ露出するよう構成されていると好適である。
このように構成されていると、連結部分の裏面側においても、他の巻線等を接合することが可能となるため好適である。
また、溶接の種類によっては、露出した表裏面から電極を挟んで使用することができ、作業性が向上する。

更にこのとき、前記爪部には、前記巻線が接合される方向へ向けて突出形成される突出部が形成されていると、爪部と巻線との接触可能面積を拡大するとともに、立体形状である巻線との接触の確実性が向上する。
また、この突出部によって、巻線の保持を行うことも可能となる。

また、本発明に係る直流モータは、アルミニウム製の前記巻線と電気的に接続さる請求項１乃至請求項６に記載の整流子と、ヨークと、該ヨークの内壁面に装着された複数の磁石と、回転中心となる回転軸と、該回転軸に装着されるとともに、前記巻線が巻回された電機子と、前記整流子に摺接する前記ブラシ本体と、を少なくとも備える。

本発明によると、アルミニウム巻線を使用するにあたり、異種素材であるアルミ巻線と銅セグメントの連結部分を外側に配置したため、接触状態の確認を容易かつ確実に行うことができる。
また、樹脂により爪部と巻線の連結部分をモールドするため、この連結部分を大気から遮断することができ、腐食防止を確実に実現することができる。
よって、銅製のセグメントに対してアルミニウム巻線を有効に使用することが可能となり、コスト低減及び軽量化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るモータの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る整流子の斜視図である。 図２のＡ方向視斜視図である。 本発明の一実施形態に係る整流子の巻線接続部を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る整流子の使用状態説明図である。 本発明の第１の改変例に係る整流子の分解説明図である。 本発明の第２の改変例に係る凸部を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、コスト低減及び軽量化を図るために、巻線としてアルミニウム製の巻線を使用するにあたり、簡易な構成で異種素材であるアルミ巻線と銅セグメントの接触状態の確認を確実に行い、腐食を有効に防止することができる整流子及び直流モータに関するものである。

図１乃至図５は、本発明の一実施形態を示すものであり、図１はモータの概略構成を示す断面図、図２は整流子の斜視図、図３は図２のＡ方向視斜視図、図４は整流子の巻線接続部を示す説明図、図５は整流子の使用状態を示す説明図である。
図６及び図７は、本実施形態の第１及び第２の改変例を示すものであり、図６は第１の改変例に係る整流子の分解説明図、図７は第２の改変例に係る凸部を示す説明図である。

図１により、本実施形態に係るモータＭ（直流モータ）の構成の一例について簡単に説明する。
本実施形態に係るモータＭは、直流モータの構成を採用したものである。
本実施形態に係るモータＭは、図１に示すように、出力軸となる回転軸としてのシャフト１と、巻線２が巻回された電機子３と、整流子４と、界磁を発生させる磁石８と、これらを内部に収納し、磁石８が固定されたヨーク６とを主たる構成要素として構成されている。

シャフト１は、軸受７を介して回転自在にヨーク６に支持されている。
なお、本実施形態においてはモータＭとして一方向回転モータを例示しているため、シャフト１は一方向に回転する構成となる。
シャフト１には電機子３が固定されており、その周囲には電機子３の外周を囲むように磁石８が配置されている。
磁石８は、永久磁石であり、ヨーク６の内壁面に固定される。
また、シャフト１には整流子４もまた固定されている。

本実施形態に係る電機子３は、電機子コア１３と、この電機子コアに巻回された巻線２と、を有して構成されている。
この巻線２は、アルミニウムで構成されている。
このため、銅線を使用する場合と比して、コストを低減することが可能となるとともに、軽量化も同時に図ることができる。
本実施形態に係る電機子コア１３は、複数のコアシート１１３が軸方向に積層されて形成された積層コアである。
これらのコアシート１１３は、例えば、ケイ素鋼板等の肉薄のシート状板素材から構成され、プレス打ち抜き処理を行うことにより所定形状に加工される。

本実施形態に係る整流子４は、シャフト１と一体的に一方向に回転する円筒状の部材であり、その回転方向に沿って一定間隔毎に配置された複数の整流子セグメント４０を備えて構成されている。
この整流子４は、回転に伴って、ブラシ装置のブラシ本体と当接する整流子セグメント４０が切り替わるよう構成されており、この構成により巻線２を流れる電流の向きが切り替わる。
隣接する整流子セグメント４０，４０は、アンダーカットにより形成された間隙（軸方向に延びる溝）であるアンダーカット溝４３を挟んで隣り合っている。
なお、整流子４の構成は、本発明の主要構成要件であるため、後に詳述する。

なお、本実施形態に係るモータＭには、ブラシ装置が搭載されている。
このブラシ装置は、整流子４を通じて巻線２に電流を流すものであり、公知のブラシ装置が使用されていればよい。
一例を示すと、このブラシ装置には、カーボン等を主成分としたブラシ本体が搭載されている。当該ブラシ本体を整流子４方向に付勢するスプリングが支持された収納ボックスに格納されており、このスプリングによりブラシ本体が整流子４方向に付勢されるよう構成されている。この構成により、ブラシ本体の一端面が整流子４と摺接するようになる。
そして、ブラシ本体には、給電用のリード線から給電されるピグテールが接続されており、外部より給電可能となっている。

次いで、図２及び図３により、本実施形態に係る整流子４についで説明する。
整流子４は、中央部にシャフト１を貫通させるための貫通孔５１ａが形成された筒状の部材である。
本実施形態に係る整流子４は、整流子セグメント４０と、樹脂部５０と、カバー用樹脂部Ｔと、を主要構成として構成され、その周方向に整流子セグメント４０が複数整列した状態で略ハット形状をなすよう構成されている。
本実施形態においては、整流子セグメント４０が１８個周方向に整列した例を示した。
なお、このカバー用樹脂部Ｔが、請求項１の「該連結部分は、前記接合部配設部において樹脂により被覆されている」との記載に示された「樹脂」に相当する。

本実施形態に係る樹脂部５０は、所謂、整流子の樹脂成形材である樹脂部本体部５１と、凹形状部５２とを有して構成されている。
なお、この「凹形状部５２」が特許請求の範囲の「接合部配設部」に相当する。

樹脂部本体部５１は、略円柱形状の樹脂部であり、その中央部には軸方向に貫通する（つまり、両底面の中心部に渡って貫通する）貫通孔５１ａが穿孔されている。
樹脂部本体部５１の一底面の周囲からは、その周囲全体に沿って、外側（中心から径方向に離れる方向）へと延出する略円環皿形状の凹形状部５２が形成されている。
この凹形状部５２は、樹脂部本体部５１の外側面と略垂直の内隅を形成して外側（中心から径方向に離れる方向）へと全周方向に渡って延出している。

凹部形状部５２は、爪部受部５２ａと、外縁壁５２ｂと、巻線保持溝５２ｃと、を有して構成されている。
この「外縁壁５２ｂ」が、特許請求の範囲の「壁部」に相当する。
爪部受部５２ａは、樹脂部本体部５１の一底面の周囲から、その周囲全体に沿って、外側（中心から径方向に離れる方向）へと略垂直の内隅を形成して延出する略円環状平板部分である。

そして、爪部受部５２ａの外周部からは、１８個の外縁壁５２ｂが一定の間隙を有して、上方（樹脂部本体部５１が立設する側を向く方向）へ向けて起立している。
隣接する外縁壁５２ｂ，５２ｂ間に形成される一定の間隙が、巻線保持部５２ｃであり、この巻線保持部５２ｃは、１８個形成される。
なお、この巻線保持溝５２ｃの幅（周方向の距離：隣接する外縁壁５２ｂ，５２ｂ間の間隔）は、巻線２の断面直径と整合する程度となるように構成される。

本実施形態に係る整流子セグメント４０は、セグメント本体４１と、爪部４２と、を有して、略Ｌ字形状に形成されている。
セグメント本体４１は、外側面が緩やかに湾曲した（１８個整列させた際に、円筒を形成するように湾曲している）平板状の部材であり、本実施形態においては銅で構成されている。
セグメント本体４１の一端部（軸方向一端部）からは、略垂直の内隅を形成して外側へと屈曲延出する爪部４２が形成されている。
本実施形態においては、セグメント本体４１を１８個配置する構成としたので、１８個のセグメント本体４１が、周方向等間隔に並ぶとともに、１８個の爪部４２がセグメント本体４１よりも外側（中心から径方向に離れる方向）へ延出した状態で周方向等間隔に整列している。

また、爪部４２の上面（セグメント本体４１が配設される側を向く面）には、略矩形状に上方（セグメント本体４１が配設される側を向く方向）に突出した突出部４２ａが形成されている。
なお、爪部４２は、凹形状部５２を構成する外縁壁５２ｂが配設される位置と整合する位置に配置され、この突出部４２ａの外側端部（中心から径方向に離れる方向側の端部）と、外縁壁５２ｂ内壁面（中心から径方向に中心側の面）との距離は、巻線２の断面直径を超えないように構成される。
後述するが、このように構成されることにより、巻線２端部と爪部４２との接触可能面積を大きくすることができる。

なお、爪部４２に突出部４２ａを形成する際には、両端部をプレス加工により潰すことにより内側を盛り上げ、この盛り上がった部分を突出部４２ａとしてもよいし、下面よりパンチにより打撃衝撃を与えて上方へと盛り上げ、この盛り上がった部分を突出部４２ａとしてもよい。

１８個の整流子セグメント４０は、そのセグメント本体４１が、樹脂部５０の樹脂部本体部５１外側面に貼付された状態で周方向に整列している。
そのとき、隣接する整流子セグメント４０,４０は、アンダーカット溝４３を挟んで（アンダーカット溝４３の分離隔して）配設されるとともに、爪部４２の自由端部が外側（中心から径方向に離れる方向）へと配設されるように構成される。

また、このとき、爪部４２は、その上面（樹脂部本体部５１が立設する側を向く面）と下面（樹脂部本体部５１が立設する側と反対側を向く面）とが露出した状態で、凹形状部５２を構成する爪部受部５２ａに埋設されるとともに、樹脂部本体部５１と凹形状部５２とで形成される内隅部と外縁壁５２ｂとの間に格納されるよう構成されている。
つまり、本実施形態においては、上記の通りの構成となるように、１８個の整流子セグメント４０が、樹脂により一体成形されている。

なお、本実施形態においては、樹脂としては、フェノール樹脂が使用されているが、これに限られることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、どのような樹脂素材が使用されていてもよい。
このように、本実施形態においては、爪部４２の自由端部が配設される位置に外縁壁５２ｂが配設されているとともに、アンダーカット溝４３と整合する位置付近に巻線保持溝５２ｃが形成されている。

また、図３にも示すように、本実施形態においては、爪部４２の上面（樹脂部本体部５１が立設する側を向く面）のみならず、下面（樹脂部本体部５１が立設する側と反対側を向く面）もまた露出した状態で樹脂成形されている。
このため、上面にアルミニウム製の巻線２を接続するとともに、下面においてもまたアルミニウム製の巻線２以外の部材、例えば短絡部材等を接続することが可能となる。
また、例えば、巻線２の端部をスポット溶接（抵抗溶接）にて接合する場合、爪部４２の上面と下面が露出していれば、この上下面から電極を挟んで溶接を行うことが可能となり、作業性が向上する。

カバー用樹脂部Ｔは、爪部４２と巻線２の端部とを接合した後に、凹形状部５２の上面（つまり、樹脂部本体部５１と凹形状部５２とで形成される内隅部及びセグメント本体４１と爪部４２とで形成される内隅部と、外縁壁５２ｂ内壁面と、の間）を樹脂によりモールド加工することにより形成される（図５参照）。

ここで、図４により、本実施形態に係る巻線２の接続形態について説明する。
巻線２の端部は、凹形状部５２を構成する巻線保持溝５２ｃから、爪部４２側へと導入される。
前述したように、巻線保持溝５２ｃの幅（周方向の距離：隣接する外縁壁５２ｂ，５２ｂ間の間隔）は、巻線２の断面直径と整合する程度となるように構成されるため、巻線２の端部側をこの巻線保持溝５２ｃに配置して保持することが可能となる。
そして、凹形状部５２内部側に配設された端部は、周方向に沿うように折り曲げられて、換言すれば、巻線２の端部側は、突出部４２ａの外側端部（中心から径方向に離れる方向側の端部）と、外縁壁５２ｂ内壁面（中心から径方向に中心側の面）との間に沿って配設され、当該部分が溶接により接続される。

溶接方法としては、プロジェクション溶接や超音波溶接で行われるが、これに限られることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においてどのような方法が使用されていてもよい。
このように、本実施形態においては、爪部４２に突出部４２ａを形成しているので、巻線２端部と爪部４２との接触可能面積を大きくとり、両者を確実に接合することが可能となる。

そして、図５に示すように、各爪部４２に巻線２の端部を接合したのち、結線部分を樹脂モールドして、カバー用樹脂部Ｔを形成する。
この「結線部分」が、特許請求の範囲の「連結部分」に相当する。
つまり、凹形状部５２の上面（つまり、樹脂部本体部５１と凹形状部５２とで形成される内隅部及びセグメント本体４１と爪部４２とで形成される内隅部と、外縁壁５２ｂ内壁面と、の間）を樹脂によりモールド加工することにより、カバー用樹脂部Ｔを形成して使用状態とする。
これにより、爪部４２と巻線２との結合部分が大気に触れることを確実に遮断することが可能となる。

次いで、図６及び図７により、改変例について説明する。
（第１の改変例）
図６は、第１の改変例を示す。
第１の改変例においては、上記実施形態に係る凹形状部５２が別部材として構成されている。
つまり、本例においては、第２樹脂部本体部１５１の外側面に、略矩形平板状の第２セグメント本体１４１が１８個整列している。
なお、アンダーカット溝４３が形成されている等の他の構成は上記実施形態と同様である。
そして、上記実施形態における凹形状部５２に相当する構成は、第２凹形状部１５２として、第２樹脂本体部１５１とは別体として構成されている。
第２セグメント本体１４１が配設された第２樹脂本体部１５１の一底面側には、内部結線プレートＰが配設され、その内部結線プレートＰのライザ部Ｐ１が、第２凹形状部１５２の上面（第２樹脂部本体部１５１が配設される側の面）に配設される。

なお、内部結線プレートＰは、公知の結線プレートであり、所定の第２セグメント本体１４１同士を短絡させる。
本例では、外側に、６個のライザ部Ｐ１が形成されており、このライザ部Ｐ１が第２凹形状部１５２の上面（第２樹脂部本体部１５１が配設される側の面）に配設されるとともに、巻線２の端部と接合され、その後、樹脂によってモールドされ、カバー用樹脂部Ｔが形成される。

図７は第２の改変例を示す。
上記実施形態に係る爪部４２の下面（樹脂部本体部５１が立設する側と反対側を向く面）は、平面上となっているが、本例に関しては図７に示す構成となる。
つまり、本例においては、第３爪部２４２の下面（樹脂部本体部５１が立設する側と反対側を向く面）に、第３突出部２４２ａが形成されている。

１・・シャフト（回転軸）、
２・・巻線、
３・・電機子、
１３・・電機子コア、１１３・・コアシート、
４・・整流子、
４０・・整流子セグメント、
４１・・セグメント本体、
４２・・爪部、４２ａ・・突出部、
４３・・アンダーカット溝、
５０・・樹脂部、
５１・・樹脂部本体部、５１ａ・・貫通孔、
５２・・凹形状部（接合部配設部）、５２ａ・・爪部受部、５２ｂ・・外縁壁（壁部）、
５２ｃ・・巻線保持溝、
６・・ヨーク、
７・・軸受、
８・・磁石、
１４１・・第２セグメント本体、１５１・・第２樹脂部本体部、１５２・・第２凹形状部、
２４２・・第３爪部、２４２ａ・・第３突出部、
Ｍ・・モータ、
Ｐ・・内部結線プレート、Ｐ１・・ライザ部、
Ｔ・・カバー用樹脂部

Claims (7)

1. 周方向に複数配置された整流子セグメントを備えた整流子であって、
   前記整流子セグメントは、前記整流子の外側面に周方向に整列して前記整流子の側面輪郭を形成する銅製のセグメント本体と、電機子を構成するアルミニウム製の巻線が連結される銅製の爪部と、を有して構成されており、
   前記整流子の外周部分には、前記爪部が配設される接合部配設部が形成されており、
   該接合部配設部には、前記爪部と前記巻線との連結部分が少なくとも配設されるとともに、該連結部分は、前記接合部配設部において樹脂により被覆されていることを特徴とする整流子。
2. 前記接合部配設部には、前記巻線の端部を前記爪部側に導入するとともに、前記巻線を保持することができる巻線保持溝が形成された壁部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の整流子。
3. 前記整流子は、
   複数の前記整流子セグメントが外側面に配設されるとともに、回転軸を貫通させるための貫通孔が軸方向に貫通するように穿たれた樹脂部を備えて構成されており、
   前記接合部配設部は、前記樹脂部と一体で成形されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の整流子。
4. 前記爪部は、前記整流子セグメントのブラシ本体摺接面から、前記整流子の径方向外側へ向かって延出しており、
   前記接合部配設部は、前記爪部と同方向に、前記樹脂部から延出すること特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか一項に記載の整流子。
5. 前記整流子セグメントは、前記樹脂部及び前記接合部配設部とともに一体的に構成されており、
   前記爪部のうち、前記連結部分を含む少なくとも一部は外側へ露出するよう構成されるとともに、前記連結部分の裏面側の少なくとも一部もまた外部へ露出するよう構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか一項に記載の整流子。
6. 前記爪部には、前記巻線が接合される方向へ向けて突出形成される突出部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５いずれか一項に記載の整流子。
7. アルミニウム製の前記巻線と電気的に接続される請求項１乃至請求項６に記載の整流子と、
   ヨークと、
   該ヨークの内壁面に装着された複数の磁石と、
   回転中心となる回転軸と、
   該回転軸に装着されるとともに、前記巻線が巻回された電機子と、
   前記整流子に摺接する前記ブラシ本体と、を少なくとも備えた直流モータ。
   
   

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