JP2017055622A - スリップリング機構 - Google Patents

Abstract

【課題】スリップリングに対するブラシの浮きを防止し、ブラシの寿命を長くするスリップリング機構を提供する。【解決手段】スリップリング機構１００は、第一層１０ａと、電気抵抗率が大きい第二層１０ｂとを有するブラシ１０と、スリップリング２０と、付勢ばね３０とを備え、ブラシ１０は、スリップリング２０に摩耗量が小さい時に接触する第一接触部１３ａと、摩耗量が多い時に接触する第二接触部１３ｂとを有し、第一接触部１３ａの第一接触面１４ａは第二接触部１３ｂの第二接触面１４ｂよりも面積が大きく、第一接触面１４ａを占める第二層１０ｂは第一層１０ａよりも面積が大きく、第二接触面１４ｂを占める第一層１０ａは第二層１０ｂよりも面積が大きい。【選択図】図１

Description

この発明は、スリップリング機構に関する。

特許文献１には、回転電機の回転子に設けられたスリップリング（整流子）と、ブラシスプリングによってスリップリングに対して押圧されるとともにスリップリングに電力を供給するブラシとが記載されている。ここで、ブラシが摩耗すると、ブラシを直接押圧するブラシスプリングの端部は、摩耗してブラシの厚みが減った分だけ、ブラシをスリップリングに押圧する方向に移動する。すなわち、ブラシの摩耗に伴ってブラシスプリングも変形し、それとともにブラシスプリングの弾性力、すなわちブラシをスリップリングに対して押圧する力も徐々に低下していく。そして、ブラシの摩耗が進行した結果、ブラシスプリングがブラシをスリップリングに押圧する際の面圧が一定値以下となると、ブラシがスリップリングに対して浮いてしまう可能性が出てくる。

一方、特許文献２に記載されているブラシは、摩耗する方向に沿って徐々に断面積が変化するように形成されているため、摩耗するに従ってブラシとスリップリングとが接触する面積も徐々に減少するようになっている。これにより、ブラシが摩耗した場合であっても、ブラシとスリップリングとの間の面圧は一定に保たれる。

特開２００２−２０４５５３号公報 実開昭６１−１７６９６３号公報

しかしながら、特許文献２に記載されるブラシは単一の材料によって形成されているため、ブラシとスリップリングとの接触面積が低下すると、ブラシ側の接触面の電気抵抗が大きくなってしまう。そして、ブラシ側の接触面の電気抵抗が大きくなるとブラシが発熱するため、ブラシの摩耗速度が速くなり、寿命が短くなってしまうという問題があった。

この発明は、このような問題を解決するためになされ、ブラシの摩耗が進行した場合でも、スリップリングに対するブラシの浮きを防止することができるとともに、ブラシの寿命を長くすることができるスリップリング機構を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係るスリップリング機構は、第一層と第一層よりも電気抵抗率が大きい材料からなる第二層とを有するブラシと、ブラシに相対回転可能に接触するスリップリングと、ブラシをスリップリングに対して押圧する付勢ばねとを備え、ブラシは、ブラシの摩耗量が所定摩耗量以下である場合にスリップリングに接触可能な第一接触面が形成される第一接触部と、ブラシの摩耗量が所定摩耗量より多い場合にスリップリングに接触可能な第二接触面が形成される第二接触部とを有し、第一接触面の面積は第二接触面の面積よりも大きく、第一接触面及び第二接触面は、各々、第一層及び第二層を含み、第一接触面を占める第二層の面積は、第一接触面を占める第一層の面積よりも大きく、第二接触面を占める第一層の面積は、第二接触面を占める第二層の面積よりも大きい。
これにより、ブラシの摩耗に伴うブラシのスリップリングに対する面圧の低下及び接触面の電気抵抗の上昇が抑制される。

また、この発明に係るスリップリング機構のブラシの第一接触面及び第二接触面は、各々、積層された第一層と第二層とを含むように構成され、第一接触部に設けられる第一層には第一スリットが形成され、第二接触部に設けられる第二層には第二スリットが形成されてもよい。

さらに、第一層と第二層とが積層される方向において、ブラシの両端部には第一層が配置されてもよい。

この発明に係るスリップリング機構によれば、ブラシの摩耗が進行した場合でも、スリップリングに対するブラシの浮きを防止することができるとともに、ブラシの寿命を長くすることができる。

この発明の実施の形態に係るスリップリング機構の概略を示す模式図である。 図１に示すスリップリング機構のブラシの構造を示す図である。 図２に示すブラシの構造の一部を拡大した図である。 図１に示すスリップリング機構のブラシが図２の状態から摩耗が進行した状態を示す図である。 図５（ｉ）は、図１に示すスリップリング機構のブラシの第一接触部の第一接触面の構成を示す図であり、図５（ｉｉ）は第二接触部の第二接触面を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に示すように、回転電機の本体（図示せず）に回転可能に接続されたシャフト２１には、略円筒形状のスリップリング２０が設けられる。そして、スリップリング２０には、回転電機の本体に回転不能に固定されたブラシ１０が接触する。すなわち、スリップリング２０はブラシ１０に相対回転可能に接触する。ここで、ブラシ１０は、シャフト２１の延長方向における幅の長さがＬａであり、奥行きの長さがＷｂである略直方体をなしている。また、ブラシ１０は、渦巻形状の付勢ばね３０によってスリップリング２０に対して力Ｆで押圧される。付勢ばね３０は、ブラシ１０が摩耗するに従い、ブラシ１０をスリップリング２０に押し付ける方向に変形しつつ、徐々に弾性力すなわち押圧力Ｆが小さくなっていく。
ここで、ブラシ１０とスリップリング２０と付勢ばね３０とはスリップリング機構１００を構成する。
また、以下の説明において、シャフト２１が延長する方向をＸ方向とする。また、シャフト２１の径方向であって、ブラシ１０に対する力Ｆの作用方向と直交する方向をＹ方向とする。また、ブラシ１０に対する力Ｆの作用方向をＺ方向とするとともに、力Ｆが作用する向きをＺ方向正側とし、Ｚ方向正側と反対の向きをＺ方向負側とする。Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は互いに直交する。

次に、図１〜３を参考に、ブラシ１０の構造について説明する。なお、ブラシ１０はＺ方向負側に向かって摩耗が進行するものとする。
図２に示すように、ブラシ１０のＺ方向正側の部分は第一接触部１３ａを構成している。ブラシ１０の摩耗量が所定の摩耗量Ｇ未満である時には、ブラシ１０の第一接触部１３ａがスリップリング２０に接触する。
なお、ブラシ１０の所定の摩耗量Ｇとは、付勢ばね３０によってブラシ１０が押圧される力Ｆが所定の押圧力ｆ１［Ｎ］を越える範囲での最大限の摩耗量であるものとする。また、所定の押圧力ｆ１［Ｎ］とは、従来の構造のブラシがスリップリング２０に対して浮くおそれのない最低限の押圧力Ｆの値である。すなわち、付勢ばね３０による押圧力Ｆが所定の押圧力ｆ１［Ｎ］以下ならば、従来の構造のブラシであればスリップリング２０に対して浮き上がり、ブラシとスリップリング２０との接触が不安定になる可能性がある。

また、ブラシ１０の第一接触部１３ａに隣接して、Ｚ方向負側の部分は第二接触部１３ｂを構成する。ブラシ１０の第二接触部１３ｂは、ブラシ１０の摩耗が進行して第一接触部１３ａが摩滅した後に、スリップリング２０に接触する部分である。すなわち、ブラシ１０の摩耗量が所定の摩耗量Ｇ以上となった時は、ブラシ１０の第二接触部１３ｂがスリップリング２０に接触する。また、ブラシ１０の第二接触部１３ｂがスリップリング２０に接触する間は、付勢ばね３０がブラシ１０を押圧する力Ｆが所定の押圧力ｆ１［Ｎ］以下となるものとする。

また、ブラシ１０は、各々Ｘ方向に沿って交互に積層する略板状の４枚の第一層１０ａと、略板状の３枚の第二層１０ｂとを有する。ここで、図３に示すように、第一層１０ａの幅の長さは、各々Ｗ１である。また、第二層１０ｂの幅の長さは、各々Ｗ２である。第一層１０ａの幅Ｗ１は、第二層１０ｂの幅Ｗ２よりも短い。
また、第一層１０ａは電気抵抗率Ｅ１の材料によって形成されており、第二層１０ｂは電気抵抗率Ｅ２の材料によって形成されている。第一層１０ａの電気抵抗率Ｅ１は、第二層１０ｂの電気抵抗率Ｅ２よりも低い。
さらにまた、ブラシ１０のＸ方向における両端面には、各々、第一層１０ａが配置されている。
なお、ブラシ１０の第一層１０ａ及び第二層１０ｂの材質としては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の金属、カーボン、黒鉛などが用いられる。

さらに、図１〜３に示すように、第一層１０ａの各々には、第一接触部１３ａに該当する部分に、Ｙ方向に延びて貫通する第一スリット１１が形成される。第一スリット１１は、スリップリング２０の周方向に沿ってＹ方向を円弧形状に延びており、ブロック１０のＹ方向の両側面に開口している。また、第一スリット１１の断面は、Ｚ方向正側に短手方向の一辺が開放される細長い矩形状をなし、長手方向の辺は第一層１０ａの中央をＺ方向に沿って第一接触部１３ａの範囲を延びている。さらに、第二層１０ｂの各々には、第二接触部１３ｂに該当する部分に、Ｙ方向に延びて貫通する第二スリット１２が形成される。第二スリット１２は、スリップリング２０の周方向に沿ってＹ方向を円弧形状に延びており、ブロック１０のＹ方向の両側面に開口している。また、第二スリット１２の断面は細長い矩形状をなし、長手方向の辺は第二層１０ｂの中央をＺ方向に沿って第二接触部１３ｂの範囲を延びている。そして、第一スリット１１のＺ方向負側の端部と、第二スリット１２のＺ方向正側の端部とは面一になるように設けられている。

なお、第一スリット１１の幅の長さは各々、Ｓ１である。また、第二スリット１２の幅の長さは各々、Ｓ２である。第一スリット１１の幅Ｓ１は第二スリット１２の幅Ｓ２よりも短い。また、第一スリット１１の幅Ｓ１と第二スリット１２の幅Ｓ２との間には、４×Ｓ１＜３×Ｓ２、という関係が成立する。すなわち、４個の第一スリット１１の幅Ｓ１を全て合わせた長さより、３個の第二スリット１２の幅Ｓ２を全て合わせた長さの方が、長い。

次に、図２、４及び５を参照にして、ブラシ１０の第一接触部１３ａがスリップリング２０に接触する場合と、ブラシ１０の第二接触部１３ｂがスリップリング２０に接触する場合とを比較する。なお、ブラシ１０の摩耗量が所定の摩耗量Ｇ未満である時に第一接触部１３ａに形成される、スリップリング２０に接触可能な接触面を第一接触面１４ａとする。また、ブラシ１０の摩耗量が所定の摩耗量Ｇ以上である時に第二接触部１３ｂに形成される、スリップリング２０に接触可能な接触面を第二接触面１４ｂとする。第一接触面１４ａ及び第二接触面１４ｂは、各々、内側にわずかに凹んだ円筒面をなす。また、第一接触面１４ａ及び第二接触面１４ｂは、各々、Ｘ方向に積層された第一層１０ａ及び第二層１０ｂを含むように構成されている。
ここで、図２及び図５（ｉ）に示すように、第一接触部１３ａの第一層１０ａには４本の第一スリット１１が形成されているため、第一接触面１４ａのおおよその面積Ａ１は、Ａ１＝（Ｌａ−４×Ｓ１）×Ｗｂとなる。また、図４及び図５（ｉｉ）に示すように、第二接触部１３ｂの第二層１０ｂには３本の第二スリット１２が形成されているため、第二接触面１４ｂのおおよその面積Ａ２は、Ａ２＝（Ｌａ−３×Ｓ２）×Ｗｂとなる。第一スリット１１の幅Ｓ１と第二スリット１２の幅Ｓ２とは、４×Ｓ１＜３×Ｓ２、という関係を有しているため、第一接触面１４ａの面積Ａ１は第二接触面１４ｂの面積Ａ２よりも大きい。

また、図５（ｉ）に示すように、ブラシ１０の第一接触面１４ａの大半の部分は、電気抵抗率Ｅ２の第二層１０ｂにより構成される。一方、図５（ｉｉ）に示すように、ブラシ１０の第二接触面１４ｂの大半の部分は、電気抵抗率Ｅ２よりも低い電気抵抗率Ｅ１の第一層１０ａにより構成される。すなわち、第一接触部１３ａの第一接触面１４ａに占められる第二層１０ｂの面積は、第一接触面１４ａに占められる第一層１０ａの面積よりも大きい。また、第二接触部１３ｂの第二接触面１４ｂに占められる第一層１０ａの面積は、第二接触面１４ｂに占められる第二層１０ｂの面積よりも大きい。

以上より、この実施の形態に係るスリップリング機構１００のブラシ１０では、第一接触部１３ａの第一接触面１４ａの接触面積Ａ１は、第二接触部１３ｂの第二接触面１４ｂの接触面積Ａ２よりも大きい。これにより、ブラシ１０の摩耗が進行して第一接触部１３ａが摩滅した後、付勢ばね３０がブラシ１０を押圧する力Ｆが低下しても、ブラシ１０の第二接触部１３ｂの第二接触面１４ｂの面圧の低下は抑制され、ブラシ１０の浮きが防止される。
ここで、ブラシとスリップリングとの間を冷却又は潤滑するためにオイル等の液体の冷却媒体が用いられるが、ブラシ１０がスリップリング２０に対して浮いてしまうと、ブラシ１０とスリップリング２０との間に冷却媒体が入り込む可能性がある。しかしながら、スリップリング機構１００ではブラシ１０の浮きが防止されるので、間に入り込んだ冷却媒体が原因でブラシ１０とスリップリング２０との接触が悪くなり、ブラシ１０とスリップリング２０との電力のやり取りにバラつきが出るという事態が防止される。そのため、回転電機を狙い通りに制御することができる。
また、冷却媒体がブラシ１０とスリップリング２０との間に入りこんで電食が発生し、ブラシの摩耗が促進されてしまうという事態も防止される。

さらに、ブラシ１０は、電気抵抗率Ｅ１の第一層１０ａと、Ｅ１よりも高い電気抵抗率Ｅ２の第二層１０ｂとを有する。そして、第一接触面１４ａに占められる第二層１０ｂの面積は、第一接触面１４ａに占められる第一層１０ａの面積よりも大きく、第二接触面１４ｂに占められる第一層１０ａの面積は、第二接触面１４ｂに占められる第二層１０ｂの面積よりも大きい。
ここで、ブラシ１０のスリップリング２０に対する接触面の電気抵抗の大きさは、接触面の接触面積に反比例する。そのため、もしブラシ１０が単一の電気抵抗率を持つ材料のみから形成されている場合は、接触面積Ａ２の第二接触面１４ｂの方が、接触面積Ａ１の第一接触面１４ａよりも電気抵抗が大きくなる。しかしながら、この実施の形態のスリップリング機構１００のブラシ１０では、第二接触面１４ｂの方が第一接触面１４ａよりも電気抵抗率が低い第一層１０ａで構成されている面積の割合が高い。従って、ブラシ１０の摩耗が進行し第一接触部１３ａが摩滅して、ブラシ１０のスリップリング２０に対する接触面が第一接触面１４ａから第二接触面１４ｂに変化した際であっても、接触面積の変化に伴う電気抵抗の上昇が抑制される。よって、ブラシ１０の摩耗が進行した場合であってもブラシ１０の発熱が防止され、その分ブラシ１０の寿命が長くなる。

また、第一接触部１３ａに設けられる第一層１０ａには第一スリット１１が形成され、第二接触部１３ｂに設けられる第二層１０ｂには第二スリット１２が形成される。これにより、ブラシ１０に付着したオイル等の冷却媒体は第一スリット１１又は第二スリット１２を通ってブラシ１０の外部に排出される。
さらにまた、第一スリット１１と第二スリット１２とは、各々、第一接触部１３ａの第一層１０ａと第二接触部１３ｂの第二層１０ｂとに、Ｘ方向における位置をずらしつつ互い違いに配置されている。そのため、各々のスリットの長さは第一接触部１３ａ又は第二接触部１３ｂのＺ方向長さを超えることがないように形成されている。従って、使用領域である第一接触部１３ａ及び第二接触部１３ｂをＺ方向に横断してスリットが形成される場合に比べて、各々のスリット１１，１２の深さは浅くなるように形成される。すなわちスリット１１同士の間、又はスリット１２同士の間のブラシ１０の片持ち支持の長さが短くなるため、ブラシ１０のねじり剛性及び曲げ剛性が向上する。

また、第二層１０ｂよりも電気抵抗率が低い第一層１０ａが、ブラシ１０のＸ方向における両端部に配置される。電気抵抗率が低い第一層１０ａは電気伝導率が高いため、第一層１０ａを第二層１０ｂよりもブラシ１０の外側に置くことで、ブラシ１０がより効率よく放熱することができ、発熱が防止される。

さらに、第一スリット１１のＺ方向負側の端部と、第二スリット１２のＺ方向正側の端部とは面一になるように設けられている。すなわち、第一スリット１１のＺ方向負側の端部と、第二スリット１２のＺ方向正側の端部との位置は、Ｚ方向において一致する。このため、ブラシ１０がＺ方向負側に向かって摩耗する過程では、第一接触部１３ａと第二接触部１３ｂとの境界付近において、スリットが形成されていない部分がスリップリング２０との接触面となる状況は存在しないようになっている。従って、ブラシ１０が摩耗する過程で急にスリップリング２０との接触面の面積が増え、面圧が一時的に低下する事態が防止される。
なお、第一スリット１１のＺ方向負側の端部と、第二スリット１２のＺ方向正側の端部との関係は面一に限定されず、互いの端部の近傍の部分がＺ方向において重なりあうように設けられていてもよい。

１０ ブラシ、１０ａ 第一層、１０ｂ 第二層、１１ 第一スリット、１２ 第二スリット、１３ａ 第一接触部、１３ｂ 第二接触部、１４ａ 第一接触面、１４ｂ 第二接触面、２０ スリップリング、３０ 付勢ばね、１００ スリップリング機構。

Claims (3)

1. 第一層と前記第一層よりも電気抵抗率が大きい材料からなる第二層とを有するブラシと、
   前記ブラシに相対回転可能に接触するスリップリングと、
   前記ブラシを前記スリップリングに対して押圧する付勢ばねとを備え、
   前記ブラシは、
   前記ブラシの摩耗量が所定摩耗量未満である場合に前記スリップリングに接触可能な第一接触面が形成される第一接触部と、
   前記ブラシの前記摩耗量が前記所定摩耗量以上である場合に前記スリップリングに接触可能な第二接触面が形成される第二接触部とを有し、
   前記第一接触面の面積は前記第二接触面の面積よりも大きく、
   前記第一接触面及び前記第二接触面は、各々、前記第一層及び前記第二層を含み、
   前記第一接触面を占める前記第二層の面積は、前記第一接触面を占める前記第一層の面積よりも大きく、
   前記第二接触面を占める前記第一層の面積は、前記第二接触面を占める前記第二層の面積よりも大きい、スリップリング機構。
2. 前記第一接触面及び前記第二接触面は、各々、積層された前記第一層と前記第二層とを含むように構成され、
   前記第一接触部に設けられる前記第一層には第一スリットが形成され、前記第二接触部に設けられる前記第二層には第二スリットが形成される請求項１に記載のスリップリング機構。
3. 前記第一層と前記第二層とが積層される方向において、前記ブラシの両端部には前記第一層が配置される請求項２に記載のスリップリング機構。

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