JP2017192233A - ブラシ付き回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシ５と整流子片９との間に生じるアーク放電を低減でき、且つ、無駄なエネルギー消費による損失を抑制できるブラシ付き直流モータ１を提供する。【解決手段】正ブラシ５が接触する或る一つの整流子片９を当整流子片９と呼ぶときに、正ブラシ５が当整流子片９から離れる前に当整流子片９に接触する位置に追加ブラシ１２を配置し、この追加ブラシ１２と正ブラシ５との間にアーク吸収部が接続される。アーク吸収部は、ツェナーダイオード１４であり、カソードが正ブラシ５に接続され、アノードが追加ブラシ１２に接続される。ツェナーダイオード１４は、ツェナー電圧より大きい電圧（逆起電圧）が印加されると電流が流れることで、両端の電圧がツェナー電圧に維持される。これにより、正ブラシ５と当整流子片９との間に印加される電圧が逆起電圧より低いツェナー電圧に維持されるため、正ブラシ５と当整流子片９との間でアークの発生を抑制できる。【選択図】図１

Description

本発明は、電機子コイルに流れる電流の向きを変えるための整流子とブラシを有するブラシ付き回転電機に関する。

電機子の回転に伴って整流子上をブラシが摺動するブラシ付き回転電機では、ブラシが整流子片から離れる瞬間に電機子コイルの自己誘導作用によって逆起電力が発生し、その逆起電力による還流電圧がブラシと整流子片との間に印加されてアーク放電を発生させる。このアーク放電を抑制する従来技術として特許文献1がある。
特許文献１には、周方向に隣り合う整流子片同士を抵抗により電導接続する技術が開示されている。整流子片同士を接続する抵抗は、還流電圧に対して負荷になるため、ブラシと整流子片との間に印加される電圧が低減されてアークの発生を抑制できる。

特開平６−２０９５４４号公報

しかし、特許文献１の従来技術では、必要の無い電流が抵抗に流れ続けることで損失となるため、回転電機の効率が低下する問題を生じる。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ブラシと整流子片との間に生じるアーク放電を低減でき、且つ、無駄なエネルギー消費による損失を抑制できるブラシ付き回転電機を提供することにある。

請求項１に係る本発明は、電機子軸の軸心と同心状に配置されて互いに絶縁される複数の整流子片を有し、この複数の整流子片がそれぞれ電機子コイルに接続される整流子と、前記電機子軸の回転に応じて前記整流子片の表面上を摺動するブラシと、このブラシが接触する或る一つの前記整流子片を当整流子片と呼ぶとき、前記ブラシが前記当整流子片から離れる際に前記電機子コイルに発生する逆起電力を吸収するアーク吸収部とを備えるブラシ付き回転電機であって、前記電機子軸の回転方向で前記ブラシより前側に配置されて前記整流子片の表面上を摺動すると共に、前記ブラシが前記当整流子片から離れる前に前記当整流子片に接触する追加ブラシを有し、前記電機子コイルに発生する逆起電力によって前記ブラシと前記当整流子片との間に生じる電圧を逆起電圧と呼ぶとき、前記アーク吸収部は、前記ブラシと前記追加ブラシとの間に接続されて前記逆起電圧以上の電圧が印加されると電流が流れる非直線性抵抗素子を有することを特徴とする。

本発明のブラシ付き回転電機は、ブラシと追加ブラシとの間にアーク吸収部が接続され、且つ、ブラシが当整流子片から離れる前に追加ブラシが当整流子片に接触する構成を有する。アーク吸収部は、逆起電圧以上の電圧が印加されると電流が流れる非直線性抵抗素子であり、ブラシが当整流子片から離れる際に電機子コイルに逆起電力が発生すると、アーク吸収部を電流が流れる。このため、ブラシと当整流子片との間に逆起電圧以上の電圧が印加されることはないので、ブラシと当整流子片との間でアークの発生を抑制できる。
また、アーク吸収部に使用される非直線性抵抗素子は、印加される電圧が逆起電圧より小さくなると電流を遮断する。その結果、アーク吸収部を通ってブラシ側から追加ブラシ側へ電流が流れ続けることはなく、無駄なエネルギーを消費することが無いので、回転電機の効率が向上する。

実施例１に係る整流子とブラシを含む断面図である。 実施例１に係る直流モータの構成を模式的に示す断面図である。 実施例１に係る正ブラシが当整流子片から離れる瞬間にアーク吸収部を流れる電流の向きを示す図面である。 実施例１の効果（アーク放電の継続時間）を従来技術と比較した図である。 実施例２に係る負ブラシが当整流子片から離れる瞬間にアーク吸収部を流れる電流の向きを示す図面である。 実施例３に係る整流子とブラシを含む断面図である。 実施例４に係る整流子とブラシを含む断面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
実施例１は、ブラシ付き直流モータ（以下、略してモータ１と呼ぶ）の一例である。
モータ１は、図２に示すように、磁界を発生する界磁子２と、この界磁子２の内周にギャップを有して配置される電機子３と、この電機子３の軸上に設けられる整流子４（図１参照）と、この整流子４の外周上に配置されるブラシ５等を含んで構成される。
界磁子２は、例えば、永久磁石あるいは電磁石によって構成され、図示しないモータハウジングに固定される。
電機子３は、図示しない軸受を介してモータハウジングに回転自在に支持される電機子軸６と、この電機子軸６に固定されて電機子軸６と一体に回転する電機子鉄心７と、この電機子鉄心７に巻装される電機子コイル８とを有する。

整流子４は、図１に示すように、絶縁体である整流子ベース９と、この整流子ベース９に保持される複数の整流子片１０とを有する。
整流子ベース９は、例えば樹脂材料により円筒形状に形成されて、電機子軸６の外周に圧入等により嵌合して固定される。
整流子片１０は、整流子ベース９の周方向に一定の隙間を空けて円筒状に配置され、個々の整流子片１０がそれぞれ電機子コイル８に接続される（図２参照）。
ブラシ５は、例えばカーボン製であり、図示しないブラシホルダに摺動自在に保持され、且つ、ブラシスプリング１１に付勢されて整流子片１０に押圧されている。以下、直流電源のプラス端子に接続されるブラシ５を正ブラシ５と呼び、直流電源のマイナス端子に接続されるブラシ５を負ブラシ５と呼ぶ。

実施例１のモータ１は、図１に示すように、電機子３の回転方向（図示矢印方向）で正ブラシ５より前側に配置されて整流子４上を摺動する追加ブラシ１２を有し、この追加ブラシ１２と正ブラシ５との間にアーク吸収部（後述する）が接続される。
追加ブラシ１２は、ブラシ５と同じくカーボン製であり、図示しないブラシホルダに保持され、且つ、追加スプリング１３に付勢されて整流子片１０に押圧されている。この追加ブラシ１２は、正ブラシ５が接触する或る一つの整流子片１０を当整流子片１０と呼ぶときに、正ブラシ５が当整流子片１０から離れる前に当整流子片１０に接触する位置に配置される。すなわち、図３の展開図（左側の図）で示すように、整流子片１０の周方向幅をＡとし、正ブラシ５と追加ブラシ１２との間の間隔をＢとした時に、Ａ＞Ｂの関係を有する。正ブラシ５と追加ブラシ１２との間の間隔Ｂは、整流子片１０の表面に沿って測った周方向の距離である。

アーク吸収部は、ツェナーダイオード１４であり、図３に示すように、正ブラシ５と追加ブラシ１２との間に逆接続される。つまり、カソードが正ブラシ５に接続され、アノードが追加ブラシ１２に接続される。カソードと正ブラシ５との間およびアノードと追加ブラシ１２との間は、例えば、電気抵抗が低い銅線によって接続される。
ツェナーダイオード１４は、ある一定の電圧（ツェナー電圧と呼ぶ）以上の電圧が逆方向（カソード−アノード間）に印加されると、カソードからアノードに向かって急激に電流が流れる。すなわち、ツェナーダイオード１４のカソード側にツェナー電圧以上の電圧が印加されると、図３の右側の図に矢印で示すように、カソードからアノードに向かって電流が流れることで、ツェナーダイオード１４の両端の電圧は、略ツェナー電圧に維持される。

〔実施例１の作用及び効果〕
ブラシ付き直流モータ１では、正ブラシ５が当整流子片１０から離れる瞬間に電機子コイル８の自己誘導作用によって逆起電力が発生する。この逆起電力によって電機子コイル８の両端に発生する電圧を逆起電圧と呼ぶとき、この逆起電圧は、図３の右側の図に示す電源記号で表されるように、図示右側の整流子片１０に接続される電機子コイル８の一端側がプラス、図示左側の整流子片１０に接続される電機子コイル８の他端側がマイナスとなり、ツェナーダイオード１４に対し逆方向に印加される。
ツェナーダイオード１４は、ツェナー電圧より大きい電圧（逆起電圧）が印加されると、カソードからアノードに向かって電流が流れることで、両端の電圧がツェナー電圧に維持される。このため、正ブラシ５と当整流子片１０との間に印加される電圧が逆起電圧より低いツェナー電圧に維持されるため、正ブラシ５と当整流子片１０との間でアークの発生を抑制できる。

また、ツェナーダイオード１４は、正ブラシ５を介してカソード側に印加される電圧がツェナー電圧まで低下した時点で電流を遮断するため、ツェナーダイオード１４に電流が流れ続けることはない。その結果、無駄なエネルギーが消費されることは無く、特許文献１の従来技術と比較してモータ効率が向上する。図４はアークの放電継続時間を計測した結果を示すグラフであり、同図（ａ）はアーク放電を抑制するための対策を全く実施していない事例（無対策事例と呼ぶ）、同図（ｂ）は特許文献１の従来技術において１０Ωの抵抗を使用した事例、同図（ｃ）は実施例１に記載した事例である。
特許文献１の事例は、放電継続時間が６７マイクロ秒であり、放電継続時間が８７マイクロ秒の無体策事例と比較してアークエネルギーを４２％低減できるが、モータ効率は２．８％低下する。これに対し、実施例１の事例は、放電継続時間がほぼ０であり、無体策事例と比較してアークエネルギーを１００％低減でき、且つ、特許文献１の事例と比較してモータ効率を向上できる。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品および構成を示すものは、実施例１と同一の符号を付与して詳細な説明は省略（実施例１を参照）する。
〔実施例２〕
この実施例２は、負ブラシ５と追加ブラシ１２との間にアーク吸収部を接続する事例である。追加ブラシ１２は、電機子３の回転方向（図示矢印方向）で負ブラシ５より前側に配置され、且つ、負ブラシ５が当整流子片１０から離れる前に当整流子片１０に接触する位置に配置される。
アーク吸収部は、実施例１と同じくツェナーダイオード１４であり、図５に示すように、アノードが負ブラシ５に接続され、カソードが追加ブラシ１２に接続される。

上記の構成によれば、ツェナーダイオード１４のカソード側にツェナー電圧より大きい電圧（逆起電圧）が印加されると、図５の右側の図に矢印で示すように、カソードからアノードに向かって電流が流れることで、両端の電圧がツェナー電圧に維持される。その結果、負ブラシ５と当整流子片１０との間に印加される電圧が逆起電圧より低いツェナー電圧に維持されるため、負ブラシ５と当整流子片１０との間でアークの発生を抑制できる。また、ツェナーダイオード１４は、負ブラシ５を介してカソード側に印加される電圧がツェナー電圧まで低下した時点で電流を遮断するため、無駄なエネルギーが消費されることは無く、特許文献１の従来技術と比較してモータ効率が向上する。

〔実施例３〕
この実施例３は、図６に示すように、ブラシ５の両側に追加ブラシ１２を配置して、それぞれブラシ５と追加ブラシ１２との間にアーク吸収部を接続した事例である。
ブラシ５は、正ブラシ５と負ブラシ５のどちらか一方または両方に適用できる。
追加ブラシ１２は、電機子３が正回転する時の回転方向（例えば図示矢印で示す反時計回転方向）に対してブラシ５より前側に配置される一方の追加ブラシ１２と、電機子３が逆回転する時の回転方向に対してブラシ５より前側に配置される他方の追加ブラシ１２とを有する。

アーク吸収部は、実施例１、２と同じく、ツェナーダイオード１４であり、ブラシ５と一方の追加ブラシ１２との間およびブラシ５と他方の追加ブラシ１２との間にそれぞれ逆接続される。
この実施例３の構成によれば、電機子３が正回転する時だけでなく、電機子３が逆回転する時にもブラシ５と当整流子片１０との間でアークの発生を抑制でき、特許文献１の従来技術と比較してモータ効率が向上する。

〔実施例４〕
この実施例４は、図７に示すように、ブラシ５とアーク吸収部との間および追加ブラシ１２とアーク吸収部との間をそれぞれ導体１５、１６によって接続する事例である。
導体１５は、ブラシ５と電気的且つ機械的に結合される。
導体１６は、追加ブラシ１２と電気的且つ機械的に結合される。
なお、導体１５および導体１６は、必ずしも別部品として新たに設ける必要はなく、例えば、ブラシ５および追加ブラシ１２の側面にそれぞれ導体１５および導体１６に相当する凸形状部を一体に設けても良い。

アーク吸収部は、実施例１と同じくツェナーダイオード１４であり、例えば、カソード側が導体１５に接続され、アノード側が導体１６に接続されて、導体１５、１６と電気的且つ機械的に結合される。
この実施例４では、ブラシ５及び追加ブラシ１２に対しツェナーダイオード１４の両端を銅線等で接続することなく、導体１５、１６に接続して機械的に結合されるので、振動等によって断線することを防止できる。また、ブラシ５と追加ブラシ１２との間隔を一定に保つことができるので、例えば、追加ブラシ１２を保持するための専用のブラシホルダが不要であり、且つ、実施例１に記載した追加スプリング１３を廃止することも可能である。

〔変形例〕
実施例１〜４ではアーク吸収部にツェナーダイオード１４を使用する事例を記載したが、ツェナーダイオード１４に替えてバリスタを採用することもできる。
実施例１ではブラシ付き回転電機の一例として直流モータ１の事例を記載したが、本発明は直流発電機にも適用できる。

１ モータ（ブラシ付き回転電機）
４ 整流子
５ ブラシ
６ 電機子軸
８ 電機子コイル
１０ 整流子片（当整流子片）
１２ 追加ブラシ
１４ ツェナーダイオード（アーク吸収部、非直線性抵抗素子）

Claims (9)

1. 電機子軸（６）の軸心と同心状に配置されて互いに絶縁される複数の整流子片（１０）を有し、この複数の整流子片がそれぞれ電機子コイル（８）に接続される整流子（４）と、
   前記電機子軸の回転に応じて前記整流子片の表面上を摺動するブラシ（５）と、
   このブラシが接触する或る一つの前記整流子片を当整流子片と呼ぶとき、前記ブラシが前記当整流子片から離れる際に前記電機子コイルの自己誘導作用によって発生する逆起電力を吸収するアーク吸収部とを備えるブラシ付き回転電機（１）であって、
   前記電機子軸の回転方向で前記ブラシより前側に配置されて前記整流子片の表面上を摺動すると共に、前記ブラシが前記当整流子片から離れる前に前記当整流子片に接触する追加ブラシ（１２）を有し、
   前記逆起電力によって前記電機子コイルの両端に発生する電圧を逆起電圧と呼ぶとき、
   前記アーク吸収部は、前記ブラシと前記追加ブラシとの間に接続されて前記逆起電圧以上の電圧が印加されると電流が流れる非直線性抵抗素子（１４）を有することを特徴とするブラシ付き回転電機。
2. 請求項１に記載したブラシ付き回転電機において、
   前記電機子軸が一方向に回転することを正回転と呼び、前記電機子軸が他方向に回転することを逆回転と呼ぶとき、
   前記追加ブラシは、前記電機子軸が正回転する時の回転方向に対して前記ブラシより前側に配置される一方の追加ブラシと、前記電機子軸が逆回転する時の回転方向に対して前記ブラシより前側に配置される他方の追加ブラシとを有し、
   前記ブラシと前記一方の追加ブラシとの間および前記ブラシと前記他方の追加ブラシとの間にそれぞれ前記アーク吸収部が接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
3. 請求項１または２に記載したブラシ付き回転電機において、
   直流電源のプラス端子に接続される前記ブラシを正ブラシと呼ぶとき、
   前記アーク吸収部は、前記正ブラシと前記追加ブラシとの間に接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
4. 請求項１または２に記載したブラシ付き回転電機において、
   直流電源のプラス端子に接続される前記ブラシを正ブラシと呼び、前記直流電源のマイナス端子に接続される前記ブラシを負ブラシと呼ぶとき、
   前記追加ブラシは、前記正ブラシより回転方向の前側に配置される正の追加ブラシと、前記負ブラシより回転方向の前側に配置される負の追加ブラシとを有し、
   前記アーク吸収部は、前記正ブラシと前記正の追加ブラシとの間および前記負ブラシと前記負の追加ブラシとの間に接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
5. 請求項１または２に記載したブラシ付き回転電機において、
   直流電源のマイナス端子に接続される前記ブラシを負ブラシと呼ぶとき、
   前記アーク吸収部は、前記負ブラシと前記追加ブラシとの間に接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
6. 請求項３に記載したブラシ付き回転電機において、
   前記非直線性抵抗素子は、ツェナーダイオード（１４）であり、このツェナーダイオードのカソードが前記正ブラシに接続され、前記ツェナーダイオードのアノードが前記追加ブラシに接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
7. 請求項４に記載したブラシ付き回転電機において、
   前記非直線性抵抗素子は、ツェナーダイオード（１４）であり、前記正ブラシと前記正の追加ブラシとの間に接続される前記ツェナーダイオードを一方のツェナーダイオードと呼び、前記負ブラシと前記負の追加ブラシとの間に接続される前記ツェナーダイオードを他方のツェナーダイオードと呼ぶとき、
   前記一方のツェナーダイオードは、前記正ブラシにカソードが接続されて前記正の追加ブラシにアノードが接続され、
   前記他方のツェナーダイオードは、前記負の追加ブラシにカソードが接続されて前記負ブラシにアノードが接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
8. 請求項５に記載したブラシ付き回転電機において、
   前記非直線性抵抗素子は、ツェナーダイオード（１４）であり、このツェナーダイオードのカソードが前記追加ブラシに接続され、前記ツェナーダイオードのアノードが前記負ブラシに接続されることを特徴とするブラシ付き回転電機。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載したブラシ付き回転電機において、
   前記非直線性抵抗素子は、バリスタであることを特徴とするブラシ付き回転電機。

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