JP2017005775A - ブラシ付き回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシ装置から発生したノイズの低減効果に優れたブラシ付き回転電機の提供。【解決手段】ブラシ付きＤＣモーター１のハウジング２には、ローターシャフト４３が、回転可能に取り付けられている。ローターシャフト４３の外周面４３ａには、コンミテータ６が固定されている。ハウジングカバー２２の前面２２ａには、ブラシ装置７が取り付けられている。ブラシ装置７に含まれた一対のブラシ７２は、コンミテータ６の外周面６ａと摺接している。各ブラシ７２には、電力供給用のワイヤハーネス７４が接続されている。ワイヤハーネス７４は、芯線、被覆７４ｂおよびスリーブ７４ｃを有しており、芯線の周囲において、インダクタンス成分を含まないバイパスコンデンサを形成している。前面２２ａには、一対のショートバー８が立設され、各々のスリーブ７４ｃは、ショートバー８に当接することによりハウジング２に接地されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ローターとともに回転するコンミテータと、コンミテータと摺接するブラシとを備えたブラシ付き回転電機に関する。

ローターとともに回転するコンミテータに対し、ブラシが摺接するブラシ付きモーターに関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。当該従来技術によるモーターにおいては、ブラシを介して、ローターに供給する電力の正負を切り換え、ローターの継続的な作動を可能にしている。ブラシ付きモーターにおいては、コンミテータとブラシとの間のスイッチング作用に起因して、アーク放電によるノイズが発生し、その周辺機器に対して雑音を生じさせる。
この課題を解消するために、上述した従来技術においては、ブラシとモーターケースとの間、または、ブラシに接続されたワイヤハーネスとモーターケースとの間にチップコンデンサを接続している。この構成により、従来技術によるブラシ付きモーターにおいては、チップコンデンサのノイズ成分のバイパス作用によって、ブラシまたはワイヤハーネスから発生したノイズを除去している。

特開昭６１−８５０５２号公報

しかしながら、一般的に、ブラシ付きモーターにおいて、ブラシに接続されたワイヤハーネスにはインダクタンス成分が含まれている。ワイヤハーネスに含まれたインダクタンス成分は、ノイズの高周波成分によってインピーダンスを増大させ、高周波成分を含んだノイズを除去する上で障害となっていた。また、上述した従来技術によるブラシ付きモーターにおいても、使用されているチップコンデンサ自体がインダクタンス成分を含んでおり、当該インダクタンス成分を完全に除去し、ノイズ低減効果を増大させることは困難であった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ブラシ装置から発生したノイズの低減効果に優れたブラシ付き回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１に係るブラシ付き回転電機の発明は、円筒部（２１ａ）および円筒部の両端部を閉塞する底部（２１ｂ、２２）を有したハウジング（２）と、円筒部の内周面（２１ｄ）に固定されたステーター（３）と、ハウジングに対し、回転軸（φ）を中心に回転可能に取り付けられたローターシャフト（４３）と、ステーターに対して半径方向に対向するように、ローターシャフトに取り付けられたローター（５）と、ローターシャフトの外周面（４３ａ）に取り付けられた整流子（６）と、ハウジングに対し、回転軸に向けて往復動可能に取り付けられ、整流子の外周面（６ａ）と摺接する複数のブラシ（７２）および各々のブラシに接続されたワイヤハーネス（７４）を含んだブラシ装置（７）と、を備えたブラシ付き回転電機（１）であって、ワイヤハーネスは、電力を供給する導線（７４ａ）と、絶縁材により形成され、導線を被覆した絶縁層（７４ｂ）と、導電材料により形成され、絶縁層を覆った導電層（７４ｃ）と、を有し、導電層を前記ハウジングに接地する接地体（８）を備えている。

この構成によれば、ワイヤハーネスは、電力を供給する導線と、絶縁材により形成され、導線を被覆した絶縁層と、導電材料により形成され、絶縁層を覆った導電層とを有し、導電層をハウジングに接地する接地体を備えている。これにより、チップコンデンサを使用せずに、導線と絶縁層と導電層とにより、ブラシに接続された導線の周囲に、インダクタンス成分を含まないコンデンサを形成することができる。したがって、ブラシにノイズが発生した場合、ノイズがコンデンサを介してハウジングに流入するため、ブラシ装置から発生したノイズの低減効果を増大させることができる。

本発明の実施形態１によるブラシ付きＤＣモーターの回転軸に沿ってカットした場合の模式的な断面図 図１に示したブラシ装置を回転軸方向に見た場合を表した図 ブラシ装置の一部拡大図 図３のIV−IV断面図 図４のＶ部拡大図 図１に示したブラシ付きＤＣモーターの回路図 図６Ａに示した回路におけるノイズの高周波成分の流れを示した図 ブラシ付きＤＣモーターにおいて、従来技術と同様のチップコンデンサを接続した場合の回路図 図７Ａに示した回路におけるノイズの高周波成分の流れを示した図 実施形態２によるブラシ装置の一部拡大図

＜実施形態１の構成＞
図１乃至図６Ａに基づき、本発明の実施形態１によるブラシ付きＤＣモーター１（ブラシ付き回転電機に該当し、以下、ＤＣモーター１と言う）について説明する。本実施形態におけるＤＣモーター１は、車載装置の駆動用、家庭用電機の駆動用、一般産業用機械の駆動用等、あらゆる用途に使用することが可能である。図１に示したように、回転軸φは、ローターシャフト４３の回転中心を示しており、以下、説明中において、回転軸φを単に回転軸といい、回転軸φが延びた方向を回転軸方向という。また、回転軸方向において、図１の左方をＤＣモーター１の後方とし、反対側（図１において右方）をＤＣモーター１の前方として説明する。また、ＤＣモーター１の外周からローターシャフト４３に近づく方向を半径方向内方といい、その逆の方向を半径方向外方という。

図１に示したように、ＤＣモーター１のハウジング２は、モーターケース２１とハウジングカバー２２とを互いに係合させて形成している。モーターケース２１は、アルミニウム合金等の導電性の良好な金属材料により形成されている。モーターケース２１は、筒状の側部２１ａ（円筒部に該当する）と、側部２１ａの前端部に一体化された閉端部２１ｂと、側部２１ａの後端部に形成されたフランジ部２１ｃとを有した略椀状を呈している。
一方、ハウジングカバー２２は、導電性を有した金属材料により平板状に形成されている。モーターケース２１の閉端部２１ｂとハウジングカバー２２は底部に該当し、側部２１ａの両端部を閉塞している。また、ハウジングカバー２２は一方の底部に該当する。ハウジングカバー２２の前面２２ａ（底部の内周面に該当する）をモーターケース２１のフランジ部２１ｃに当接させた状態で、フランジ部２１ｃおよびハウジングカバー２２に貫通させた締付ボルト２３を、固定ナット２４に締め付ける。これによって、モーターケース２１とハウジングカバー２２とが一体化される。

側部２１ａの内周面２１ｄ（円筒部の内周面に該当する）には、ステーター３が固定されている。ステーター３は、互いに極性の異なる一対の界磁用磁石３１によって形成されている。図１に示したように、界磁用磁石３１は、互いに半径方向に対向している。
モーターケース２１の閉端部２１ｂには、第１軸受４１が嵌着されている。また、ハウジングカバー２２の中央部には、第２軸受４２が固定されている。ハウジング２には、第１軸受４１および第２軸受４２を介して、ローターシャフト４３が、回転軸を中心に回転可能に取り付けられている。第１軸受４１、第２軸受４２およびローターシャフト４３によって、シャフト構造体４が形成されている。

ローターシャフト４３には、ローター５が取り付けられている。ローター５は、ステーター３に対して、所定距離を有して半径方向内方に対向するように配置されている。ローター５は、複数の電磁鋼板が積層されて形成されたローターコア５１と、ローターコア５１のティース（図示せず）に巻回された複数のローターコイル５２とを有している。
ローターシャフト４３には、コンミテータ６（整流子に該当する）が取り付けられている。コンミテータ６は、ローターシャフト４３の外周面４３ａに固定され、ローターシャフト４３と一体回転可能に形成されている。コンミテータ６の外周面６ａには、導体により形成され、回転軸を中心として円周上に配置された複数のセグメント６１が形成されている。

ハウジングカバー２２の前面２２ａ（一方の底部の内周面に該当する）には、ブラシ装置７が取り付けられている。ブラシ装置７は、互いに半径方向に対向するように配置された一対のブラシホルダー７１と、各々のブラシホルダー７１内において、回転軸に向けて往復動可能に収容されたブラシ７２を含んでいる（図２示）。ブラシホルダー７１は合成樹脂材料等の絶縁部材により形成され、ハウジングカバー２２の前面２２ａ上に固定されている。一方、ブラシ７２は、銅等の導電性の金属材料により形成されており、コンミテータ６の各セグメント６１に電力を供給するために、コンミテータ６の外周面６ａと摺接している。

図３に示したように、各々のブラシ７２には、ブラシスプリング７３が係合している。ブラシスプリング７３は、バネ性を有した鋼線材により形成され、略中央部にコイル状の保持部７３ａを有している。保持部７３ａを、ハウジングカバー２２の前面から前方に突出したスプリングサポート２２ｂに嵌合させることにより、ブラシスプリング７３はハウジングカバー２２上に取り付けられている。図２に示したように、ブラシスプリング７３の一端部に配置された押圧部７３ｂはブラシ７２に当接し、他端部に配置された入力部７３ｃがモーターケース２１の内周面２１ｄに弾性的に係合している。これにより、各々のブラシ７２は、ブラシスプリング７３からコンミテータ６の外周面６ａに向けた付勢力を受けている。

また、各々のブラシ７２には、電力供給用のワイヤハーネス７４が接続されている。ワイヤハーネス７４によって、各々のブラシ７２は直流電源Ｂ（図６Ａ示）に接続され、一方のブラシ７２にはプラスの電位、他方のブラシ７２にはマイナスの電位が供給される。図５に示したように、ワイヤハーネス７４は、芯線７４ａ（導線に該当する）、被覆７４ｂ（絶縁層に該当する）およびスリーブ７４ｃ（導電層に該当する）を有している。芯線７４ａは、銅あるいはアルミニウム合金によって形成され、直流電源Ｂからブラシ７２に対し電力を供給する。被覆７４ｂは、ポリ塩化ビニルまたはポリエチレン等の絶縁材料によって形成され、芯線７４ａを被覆している。スリーブ７４ｃは、銅等の導電性金属材料により形成され、被覆７４ｂを覆っている。これにより、芯線７４ａの周囲には、芯線７４ａ、被覆７４ｂおよびスリーブ７４ｃにより形成されたインダクタンス成分を含まないバイパスコンデンサＣ２（図６Ａ示）が形成される。

ハウジングカバー２２の前面２２ａには、前方に延びた一対のショートバー８（接地体、ピン部材に該当する）が立設されている（図３示）。ショートバー８は、銅あるいはアルミニウム等の導電性金属材料により形成されている。ショートバー８は、ハウジングカバー２２の前面２２ａに圧入固定されている。図４に示したように、ショートバー８にはワイヤハーネス７４のスリーブ７４ｃが当接しており、スリーブ７４ｃはショートバー８によってハウジング２に接地されている。
図２に示すように、ハウジングカバー２２の前面２２ａには、一対のハーネス保持部２２ｃが立設されており、各々のワイヤハーネス７４は、ハーネス保持部２２ｃを介して、ハウジング２外に引き出されている。

＜実施形態１によるノイズ低減方法＞
以下、図６Ａ乃至図７Ｂに基づき、本実施形態のＤＣモーター１によるノイズ低減方法について、従来技術と比較して説明する。図６Ａに示したように、直流電源Ｂと接続されたワイヤハーネス７４の芯線７４ａは、ブラシ７２およびコンミテータ６のセグメント６１を介して、ローターコイル５２と接続される。ワイヤハーネス７４の芯線７４ａ自体には、互いに並列に接続された導体インダクターＬｈと導体コンデンサＣ１とが含まれている。また、前述したように、芯線７４ａとハウジング２との間には、芯線７４ａ、被覆７４ｂおよびスリーブ７４ｃにより形成された、直列のインダクタンス成分を含まないバイパスコンデンサＣ２が形成されている。

図６Ｂに示したように、バイパスコンデンサＣ２には直列のインダクタンス成分が含まれていないため、ブラシ７２にノイズが発生した場合、ノイズの高周波成分は、バイパスコンデンサＣ２を流れる（図６Ｂにおいて、太い矢印にて示す）。通常、バイパスコンデンサＣ２の容量は極めて小さいが、高周波成分であるためインピーダンスは低くなり、高周波成分は、バイパスコンデンサＣ２を効率よく流れる。バイパスコンデンサＣ２に流れた高周波成分のノイズは、接地されたハウジング２へと流入し、発生したノイズは十分に低減される。
これに対し、導体インダクターＬｈのインピーダンスが増大するため、ノイズの高周波成分は、導体インダクターＬｈを流れることはない。また、ノイズの高周波成分が、バイパスコンデンサＣ２に流入するため、導体コンデンサＣ１を流れる高周波成分も低減される（図６Ｂにおいて、細い矢印にて示す）。

一方、図７Ａに示したように、芯線７４ａに、前述した特許文献１に記載されたチップコンデンサＣＣを接続した場合、ハウジング２に接地されたチップコンデンサＣＣには、互いに直列に接続された付加コンデンサＣ２２と付加インダクターＬ２２とが含まれている。また、チップコンデンサＣＣ以外に、図６Ａに示されたＤＣモーター１と同様に、芯線７４ａ自体にも、導体インダクターＬｈおよび導体コンデンサＣ１が含まれている。
図７Ｂに示したように、ブラシ７２にノイズが発生した場合、ノイズの高周波成分に対して、付加インダクターＬ２２のインピーダンスが増大するため、チップコンデンサＣＣに流れるノイズの高周波成分は制限される（図７Ｂにおいて、細い矢印にて示す）。これに対し、導体コンデンサＣ１のインピーダンスは、導体インダクターＬｈのインピーダンスよりも低いため、ノイズの高周波成分は、導体コンデンサＣ１を通って直流電源Ｂに接続される端子へと流入する（図７Ｂにおいて、太い矢印にて示す）。したがって、芯線７４ａにチップコンデンサＣＣが接続された場合、ノイズの高周波成分を十分に除去することは困難である。

＜実施形態１の作用効果＞
本実施形態によれば、ワイヤハーネス７４は、電力を供給する芯線７４ａと、絶縁材により形成され、芯線７４ａを被覆した被覆７４ｂと、導電材料により形成され、被覆７４ｂを覆ったスリーブ７４ｃとを有している。そして、スリーブ７４ｃは、ショートバー８によって、ハウジング２に接地されている。これにより、チップコンデンサを使用せずに、芯線７４ａと被覆７４ｂとスリーブ７４ｃとにより、ブラシ７２に接続された芯線７４ａの周囲に、インダクタンス成分を含まないバイパスコンデンサＣ２を形成することができる。したがって、ブラシ７２にノイズが発生した場合、ノイズがバイパスコンデンサＣ２を介してハウジング２に流入するため、ブラシ装置７から発生したノイズの低減効果を増大させることができる。
また、チップコンデンサを使用せずに、芯線７４ａの周囲にバイパスコンデンサＣ２を形成することができるため、ＤＣモーター１中において、ブラシ装置７を小型化することができる。
また、チップコンデンサを使用しないため、半田付けや基板への取り付けを行う必要が無く、製造の容易なＤＣモーター１にすることができる。

また、フレキシブルなワイヤハーネス７４を接地していることにより、ブラシ７２の周囲を絶縁層および導電層で覆って接地する場合と異なり、特別な部材を必要とせずにスリーブ７４ｃをハウジング２に当接させることができ、容易に接地することができる。
また、ブラシ７２の周囲を絶縁層および導線層で覆って接地する場合と異なり、芯線７４ａを覆う被覆７４ｂとスリーブ７４ｃの長さを調整することにより、コンデンサの容量を容易に調整することができる。
また、本実施形態においては、ブラシ７２の周囲を絶縁層および導電層で覆った場合のように、ブラシ７２がコンミテータ６の外周面６ａと摺動摩耗して短くなり、バイパスコンデンサの容量が低減するような恐れがない。

また、ブラシ装置７は、ハウジングカバー２２の前面２２ａに取り付けられ、接地体として、ハウジングカバー２２の前面２２ａに立設されるとともに、スリーブ７４ｃが当接する導電性のショートバー８を含んでいる。これにより、簡単な構成によって、スリーブ７４ｃをハウジング２に接地することができ、製造の容易なＤＣモーター１にすることができる。また、ハウジングカバー２２の前面２２ａ上の任意の位置において、スリーブ７４ｃをハウジング２に接地させることができる。

＜実施形態２の構成＞
図８に基づき、本発明の実施形態２によるＤＣモーター１について説明する。図８に示したように、本実施形態におけるワイヤハーネス７４は、ブラシ７２から引き出された後、ハウジング２の外周縁に向けて湾曲している。ワイヤハーネス７４のスリーブ７４ｃは、上記湾曲した部位において、モーターケース２１の内周面２１ｄ（接地体、接地壁に該当する）に当接している。ハウジング２の全体からすれば、モーターケース２１の内周面２１ｄは、ハウジングカバー２２の前面２２ａから前方へと突出し、ハウジングカバー２２が延びる方向（図８において、紙面が延びる方向）に延在していると言える。

また、ハウジングカバー２２の前面２２ａには、モーターケース２１の内周面２１ｄと同じ方向に突出したハーネスガイド２２ｄ（ガイド壁に該当する）が形成されている。ハーネスガイド２２ｄは、モーターケース２１の内周面２１ｄとともに、ハウジングカバー２２が延びる方向に、スリーブ７４ｃをワイヤハーネス７４の湾曲した部位において挟持している。ＤＣモーター１の構成について、これまで説明したもの以外は実施形態１によるものと同様であるため、これ以上の説明は省略する。

＜実施形態２の作用効果＞
本実施形態によれば、スリーブ７４ｃは、ハウジングカバー２２が延びる方向に延在したモーターケース２１の内周面２１ｄに当接している。これにより、ハウジングカバー２２の前面２２ａにショートバー８を設けることなく、スリーブ７４ｃをハウジング２に接地することができる。したがって、製造の容易なＤＣモーター１にすることができる。また、構成する部品点数を低減し、低コストのＤＣモーター１にすることができる。
また、スリーブ７４ｃをハウジング２に接地するための接地壁を、モーターケース２１の内周面２１ｄとしたことにより、新たな構成を設けることなく、現有の部材を使用してスリーブ７４ｃを接地することができるため、いっそう、低コストのＤＣモーター１にすることができる。

また、ハウジングカバー２２の前面２２ａには、モーターケース２１の内周面２１ｄとともに、ハウジングカバー２２が延びる方向にスリーブ７４ｃを挟持可能なハーネスガイド２２ｄが形成されている。これにより、スリーブ７４ｃがモーターケース２１の内周面２１ｄとハーネスガイド２２ｄとの間で保持され、スリーブ７４ｃの確実な接地を可能にすることができる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
本発明において、ノイズ低減効果を増大させるため、ワイヤハーネス７４の芯線７４ａのうち、ブラシ７２の近傍に位置する部位を、被覆７４ｂおよびスリーブ７４ｃで覆って接地することが望ましい。
また、本発明は、ローター５が回転されることにより、ブラシ７２間に電力を発生させる発電機にも適用可能である。
また、本発明は、発電機と電動機の２つの機能を併せ持つ電動発電機にも適用可能である。

図面中、１はブラシ付きＤＣモーター（ブラシ付き回転電機）、２はハウジング、３はステーター、５はローター、６はコンミテータ（整流子）、６ａはコンミテータの外周面（整流子の外周面）、７はブラシ装置、８はショートバー（接地体、ピン部材）、２１ａは側部（円筒部）、２１ｂは閉端部（底部）、２１ｄは内周面（接地体、接地壁）、２２はハウジングカバー（底部）、２２ａは前面（底部の内周面）、２２ｄはハーネスガイド（ガイド壁）、４３はローターシャフト、４３ａはローターシャフトの外周面、７２はブラシ、７４はワイヤハーネス、７４ａは芯線（導線）、７４ｂは被覆（絶縁層）、７４ｃはスリーブ（導電層）、φは回転軸を示している。

Claims (5)

1. 円筒部（２１ａ）および該円筒部の両端部を閉塞する底部（２１ｂ、２２）を有したハウジング（２）と、
   前記円筒部の内周面（２１ｄ）に固定されたステーター（３）と、
   前記ハウジングに対し、回転軸（φ）を中心に回転可能に取り付けられたローターシャフト（４３）と、
   前記ステーターに対して半径方向に対向するように、前記ローターシャフトに取り付けられたローター（５）と、
   前記ローターシャフトの外周面（４３ａ）に取り付けられた整流子（６）と、
   前記ハウジングに対し、前記回転軸に向けて往復動可能に取り付けられ、前記整流子の外周面（６ａ）と摺接する複数のブラシ（７２）および各々の前記ブラシに接続されたワイヤハーネス（７４）を含んだブラシ装置（７）と、
   を備えたブラシ付き回転電機（１）であって、
   前記ワイヤハーネスは、
   電力を供給する導線（７４ａ）と、
   絶縁材により形成され、前記導線を被覆した絶縁層（７４ｂ）と、
   導電材料により形成され、前記絶縁層を覆った導電層（７４ｃ）と、
   を有し、
   前記導電層を前記ハウジングに接地する接地体（８）を備えているブラシ付き回転電機。
2. 前記ブラシ装置は、
   一方の前記底部（２２）の内周面（２２ａ）に取り付けられ、
   前記接地体は、
   前記底部の前記内周面に立設されるとともに、前記導電層が当接する導電性のピン部材（８）を含んでいる請求項１記載のブラシ付き回転電機。
3. 前記ブラシ装置は、
   一方の前記底部（２２）の内周面（２２ａ）に取り付けられ、
   前記接地体は、
   前記底部の前記内周面から突出し、前記底部が延びる方向に延在するとともに、前記導電層が当接する接地壁（２１ｄ）を含んでいる請求項１記載のブラシ付き回転電機。
4. 前記接地壁は、
   前記円筒部の前記内周面である請求項３記載のブラシ付き回転電機。
5. 前記底部の前記内周面には、前記接地壁と同じ方向に突出し、前記接地壁とともに、前記底部が延びる方向に前記導電層を挟持可能なガイド壁（２２ｄ）が形成されている請求項３または４に記載のブラシ付き回転電機。

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