JP2019022254A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】高抵抗部によるアーク抑制効果を維持しつつ、ブラシ寿命の低下を回避する回転電機を提供する。【解決手段】回転電機の主ブラシ３３は、ハウジングに保持され、回転子の回転時に整流子８０の径方向外側で整流子８０に摺接される。補助ブラシ３１は、主ブラシ３３に対し回転方向のエンド側に配置され、整流子８０に摺接される。補助ブラシ３１は、整流子８０の周上における主ブラシ３３との間隔Ｌ１が整流子片８１、８３、８５の周方向の長さＬ２未満となるように配置される。高抵抗部４１は、整流子８０から離間して配置され、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１に対し抵抗率の高い材質で形成され、対応する主ブラシ３３と補助ブラシ３１との間に電気的に接続される。これにより、高抵抗部４１の摩耗を生じることなく、アークの発生を抑制し、ノイズを低減することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、ブラシ付き回転電機に関する。

従来、整流子に通電するブラシとして、相対的に抵抗率の低い材質で形成された低抵抗部と、相対的に抵抗率の高い材質で形成された高抵抗部とを組み合わせたブラシを用いる回転電機が知られている。この構成では、コイル短絡時、高抵抗部にてアークエネルギーを消費することによりノイズを低減する。
例えば特許文献１に開示された回転電機は、低抵抗部のＣｕ含有率、低抵抗部と高抵抗部との抵抗比、低抵抗部と高抵抗部との厚さ比を所定範囲に設定することで、アーク（火花）の抑制、ブラシ寿命の向上、及び、回転電機性能の両立を図っている。

特開平４−４６５４６号公報

特許文献１によると、単純にＣｕ含有量の少ない高抵抗部は摩耗量が少ないと考えられている。しかし、高抵抗部が低抵抗物質を含む合金や複合材料で構成される場合、高抵抗部が整流子と摺動しながら接触すると、低抵抗物質部分の電流密度が高くなり、高抵抗部全体の摩耗量が増大する場合がある。その結果、寿命が低下するという問題があった。
本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、高抵抗部によるアーク抑制効果を維持しつつ、ブラシ寿命の低下を回避する回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、回転軸であるシャフト（７５）と、回転子（７０）と、電機子コイル（７７）と、整流子（８０）と、ハウジング（２０）と、磁石（２１、２２）と、一対以上の主ブラシ（３３）と、一対以上の補助ブラシ（３１、３５）と、高抵抗部（４１、４２、４５）と、を備える。
回転子は、シャフトに接続されている。電機子コイルは、回転子に巻回されている。整流子は、シャフトの周方向に固定される複数の整流子片（８１、８３、８５）を含む。ハウジングは、回転子及び整流子を収容する。磁石は、ハウジングに固定され、電機子コイルに界磁を与える。

主ブラシは、ハウジングに保持され、回転子の回転時に整流子の径方向外側で整流子に摺接される。
回転子の回転方向について、「スタート側からエンド側に回転する」と定義する。補助ブラシは、各主ブラシに対し回転方向のエンド側に配置され、整流子に摺接される。補助ブラシは、整流子の周上における対応する主ブラシとの間隔（Ｌ１）が整流子片の周方向の長さ（Ｌ２）未満となるように配置される。

高抵抗部は、整流子から離間して配置され、主ブラシ及び補助ブラシに対し抵抗率の高い材質で形成され、対応する主ブラシと補助ブラシとの間に電気的に接続されている。
正逆両方向に回転可能な回転電機の場合、補助ブラシ及び高抵抗部は、各主ブラシに対し回転方向の両側に設けられていてもよい。

本発明では、高抵抗部が整流子から離間して配置されるため、高抵抗部の摩耗による寿命の低下が回避される。また、整流子に摺接する主ブラシと補助ブラシとの間に介在する高抵抗部は、コイル短絡時にアークエネルギーを消費してアークの発生を抑制し、ノイズを低減することができる。

主ブラシ、補助ブラシ及び高抵抗部は、別部材で構成されてもよい。また、主ブラシ及び補助ブラシは、間に絶縁層（５２）を介して積層された積層ブラシとして一体に形成されてもよい。或いは、主ブラシ及び補助ブラシは、間に高抵抗部（４２）を介して積層され、高抵抗部の整流子側の端面が主ブラシ及び補助ブラシの端面に対して凹んだ積層ブラシとして一体に形成されてもよい。積層ブラシを用いることで、ハウジングに固定されてブラシを保持するブラシホルダの数を減らすことができる。

各実施形態による回転電機の軸方向断面図である。 第１実施形態による回転電機の径方向模式断面図である。 第１実施形態によるブラシ部の構成を示す模式図である。 第１実施形態によるブラシ部の構成、及び、主ブラシが２つの整流子片に跨って接触する回転位置での電流経路を示す模式展開図である。 図４の回転位置から片側の整流子片が主ブラシから離れたときの電流経路を示す模式展開図である。 従来技術に対する摩耗低減効果を示すグラフである。 第２実施形態によるブラシ部の構成を示す模式展開図である。 第３実施形態によるブラシ部の構成を示す模式展開図である。 第４実施形態によるブラシ部の構成を示す模式展開図である。 第４実施形態による積層ブラシの製造方法を示す模式図である。 第５実施形態によるブラシ部の構成を示す模式展開図である。 比較例のブラシ部の構成、及び、主ブラシが２つの整流子片に跨って接触する回転位置での電流経路を示す模式展開図である。 図１２の回転位置から片側の整流子片が主ブラシから離れたときの電流経路を示す模式展開図である。 従来技術によるブラシ部の構成を示す模式展開図である。

以下、回転電機の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の回転電機について、図１〜図６を参照して説明する。最初に回転電機の全体構成について、各実施形態に共通の軸方向断面図である図１を参照する。本実施形態の回転電機１０はブラシ付きＤＣモータであり、ハウジング２０、磁石２１、２２、ブラシホルダ２３、回転子７０、シャフト７５、電機子コイル７７、整流子８０等を備える。
以下、説明の便宜上、図１の上側を「上」、図１の下側を「下」と表す。ただし、現実の回転電機１０は、鉛直方向に限らず、水平方向又は斜め方向に設置されてもよい。

回転子７０は、回転軸であるシャフト７５に接続されている。電機子コイル７７は、回転子７０に巻回され、電源から通電される。
筒状のハウジング２０は、軸方向の下部で回転子７０を収容し、軸方向の上部で整流子８０を収容する。磁石２１、２２は、ハウジング２０の下部内壁に固定され、電機子コイル７７に界磁を与える。ハウジング２０の上部内壁にはブラシホルダ２３が設けられる。

続いて図２の径方向断面模式図において、第１実施形態のブラシ部３０１の構成以外は各実施形態に共通の構成が示される。回転子７０は、対向するＮ極磁石２１及びＳ極磁石２２の間に収容され、放射状に配置された複数（例えば５つ）のティース７６に電機子コイル７７が巻回されている。整流子８０は、シャフト７５の周方向に固定される複数の整流子片を含む。電機子コイル７７の一端及び他端は、それぞれ隣接する整流子片に接続される。

一対以上の主ブラシ３３は、互いに対向して配置される。ブラシ３３は、回転子７０の回転時に整流子８０に摺接される
回転電機１０は、ブラシ３３と整流子８０との接触により電機子コイル７７に流れる電流の向きが切り替わることにより、回転子７０が磁石２１、２２に対して連続的に回転する。このようなブラシ付きＤＣモータの動作原理は周知技術であるため、詳しい説明を省略する。

第１実施形態では、各主ブラシ３３に対応する補助ブラシ３１及び高抵抗部４１がさらに設けられ、ブラシ部３０１が構成される。以下、各実施形態のブラシ部の符号として、「３０」に続く３桁目に実施形態の番号を付す。
図３に、一つのブラシ部３０１を拡大して示す。ここで、回転子７０の回転方向について、「スタート側からエンド側に回転する」と定義する。補助ブラシ３１は、各主ブラシ３３に対し回転方向のエンド側に配置され、整流子８０に摺接される。

高抵抗部４１は、整流子８０から離間して配置され、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１に対し抵抗率の高い材質で形成される。なお、例えば特許文献１（特開平４−４６５４６号公報）には、通常ブラシを構成する低抵抗部に対する高抵抗部の抵抗比を５倍以上に設定することが記載されている。具体的な抵抗比は、これらの知見に基づいて適宜設定すればよい。
高抵抗部４１は、対応する主ブラシ３３と補助ブラシ３１との間に電気的に接続されている。詳しくは、高抵抗部４１は、配線６２により主ブラシ３３と電気的に接続され、配線６１により補助ブラシ３１と電気的に接続されている。また、主ブラシ３３は、配線６３により電源端子から給電される。

整流子８０の整流子片について、周方向一部の３個のみを図示し、回転方向のエンド側からスタート側に向かう順に「８１」、「８３」、「８５」の符号を付す。また、電機子コイルについて、整流子片８１に対し整流子片８３とは反対側に隣接する整流子片から整流子片８１に跨るもの、整流子片８１、８３に跨るもの、整流子片８３、８５に跨るものに、それぞれ「７７１」、「７７３」、「７７５」の符号を付す。

ここで、高抵抗部及び補助ブラシを備えない比較例を図１２、図１３に示す。比較例のブラシ部３００は主ブラシ３３のみを含む。図１２に示す回転位置では、主ブラシ３３は、整流子片８１、８３に跨って接触する。このとき、電流は、主ブラシ３３、整流子片８１、電機子コイル７７３及び整流子片８３を経由して流れる。
図１３に示す回転位置では、整流子片８１が主ブラシ３３から離れる。このとき、電流経路が遮断され、主ブラシ３３と整流子片８１との近接部位においてアークエネルギーによるアークが発生する。このアークは、回転電機１０のノイズの原因となる。

このアークを抑制するため、特許文献１等に開示された従来技術では、相対的に抵抗率の低い材質で形成された低抵抗部と、相対的に抵抗率の高い材質で形成された高抵抗部とを組み合わせたブラシを用いている。
図１４に示すように、従来技術のブラシ部３０９は、低抵抗部としての主ブラシ３３に対し回転方向のエンド側に高抵抗部４９が接続されている。これにより、整流子片８１が主ブラシ３３から離れた回転位置において、電流は、主ブラシ３３、高抵抗部４９、整流子片８１、電機子コイル７７３及び整流子片８３を経由して流れる。電流が高抵抗部４９を通ることによりアークエネルギーが消費されるため、アークの発生が抑制され、ノイズが低減される。

ところで従来技術の高抵抗部４９は、主ブラシ３３と同様に整流子８０に摺接される。高抵抗部４９が低抵抗物質を含む合金や複合材料で構成される場合、高抵抗部４９が整流子８０と摺動しながら接触すると、低抵抗物質部分の電流密度が高くなり、高抵抗部４９全体の摩耗量δが増大する場合がある。その結果、寿命が低下するという問題があった。
つまり、特許文献１に記載されているようにＣｕ含有量が相対的に大きい低抵抗部の摩耗ももちろん発生するが、現実には、特許文献１で着目されていない高抵抗部の摩耗の方がより影響が大きな場合がある。そこで本実施形態は、高抵抗部によるアーク抑制効果を維持しつつ、ブラシ寿命の低下を防止することを目的とする。

続いて、上記課題を解決するための各実施形態のブラシ部の構成、及び作用効果について詳しく説明する。以下、ブラシ部と整流子８０との接触状態を説明するに当たり、整流子８０の周方向に展開した展開図を便宜上、参照する。例えば第１実施形態では、図３の展開図である図４、図５を参照する。展開図において直線で図示される整流子片８１、８３、８５の外面は、現実には円弧曲面を表すものと解釈される。

図４、図５において、整流子８０の周上における対応する主ブラシ３３と補助ブラシ３１との間隔Ｌ１は、整流子片８１、８３、８５の周方向の長さＬ２未満となるように設定されている。すなわち、式（１）の関係が成立する。これにより、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１は、図４に示すように、一つの整流子片８１に同時に接触可能である。
Ｌ１＜Ｌ２ ・・・（１）

また、整流子片８１、８３、８５の周方向の長さをＬ２、間隔をＬ３とする。移行時を除き、一つのブラシから一つの整流子片に通電することを原則とすると、周方向の主ブラシ３３の厚さＢｍ、及び、補助ブラシ３１の厚さＢｓは、（Ｌ２＋Ｌ３）より小さく設定される必要がある。本実施形態では、周方向の主ブラシ３３の厚さＢｍ、及び、補助ブラシ３１の厚さＢｓは、いずれも長さＬ２以下に設定されている。すなわち、式（２）の関係が成立する。
Ｂｍ≦Ｌ２、Ｂｓ≦Ｌ２ ・・・（２）

ここで、補助ブラシ３１の厚さＢｓは、式（３）の通り、主ブラシ３３の厚さＢｍより小さいことが好ましい。
Ｂｓ＜Ｂｍ ・・・（３）
各ブラシの厚さＢｍ、Ｂｓは、通電時の接触面積や、摺接による機械的な抵抗等を考慮して適宜設定可能である。補助ブラシ３１の厚さＢｓはなるべく小さいことが好ましい。

また、図４、図５において、破線矢印は、整流子片８１、８３に跨がる電機子コイル７７３を経由する電流を示す。実線矢印は、電機子コイル７７３に隣接する他の電機子コイル７７１、７７５に流れる電流を示す。
図４に示す回転位置では、主ブラシ３３は、整流子片８１、８３に跨って接触する。このとき、電流は、主ブラシ３３、整流子片８１、電機子コイル７７３及び整流子片８３を経由して流れる。

図５に示す回転位置では、整流子片８１が主ブラシ３３から離れる。このとき、図１３に示す比較例と同様に主ブラシ３３から整流子片８１への電流経路が遮断されるため、アークエネルギーが生成される。しかし、本実施形態では、電流は、主ブラシ３３、高抵抗部４１、補助ブラシ３１、整流子片８１、電機子コイル７７３及び整流子片８３を経由して流れる。電流が高抵抗部４１を通ることによりアークエネルギーが消費されるため、アークの発生が抑制され、ノイズが低減される。

また、本実施形態では高抵抗部４１が整流子８０と接触しないため、図５における整流子８０との接触部における摩耗量δは、図１４に示す従来技術の摩耗量δに比べて少なくなる。具体的には図６に示すように、１００Ｈｒ運転後のブラシ摩耗量δが、従来技術の１．５ｍｍに対し、本実施形態では、従来技術の４０％に相当する０．６ｍｍであった。
つまり、本実施形態では、従来技術に対し摩耗量δが６０％低減する。また、この割合で摩耗が進行すると仮定すると、２．５倍の時間（すなわち２５０Ｈｒ）での摩耗量δが１．５ｍｍになると想定されるため、従来技術に比べ寿命が２．５倍になる、と言える。

次に、第２〜第５実施形態のブラシ部の構成について、第１実施形態の図４、図５と同様の展開図を参照して説明する。以下の実施形態の説明で、第１実施形態と実質的に同一の構成には、同一の符号を付して説明を省略する。
いずれの実施形態でも、高抵抗部は整流子８０から離間して配置されるため、高抵抗部の摩耗による寿命の低下が回避される。また、高抵抗部は、コイル短絡時にアークエネルギーを消費してアークの発生を抑制し、ノイズを低減することができる。その他、各実施形態は、それぞれの構成に応じた特有の作用効果を奏する。

（第２実施形態）
第２実施形態について、図７を参照して説明する。
第２実施形態では、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１は、間に絶縁層５２を介して積層された積層ブラシ５０２として一体に形成されている。絶縁層５２の材料として、例えばエンプラ等の樹脂材料が用いられる。高抵抗部４１は、積層ブラシ５０２とは別部材で構成され、整流子８０から離間して配置される。高抵抗部４１は、配線６２により主ブラシ３３と電気的に接続され、配線６１により補助ブラシ３１と電気的に接続されている。つまり、主ブラシ３３と補助ブラシ３１とは、高抵抗部４１を介して電気的に接続されている。こうして、ブラシ部３０２が構成される。

第２実施形態では、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１が積層ブラシ５０２として一体に形成されるため、ブラシホルダ２３の数を少なくし、組み付け工数を低減することができる。また、高抵抗部４１は別部材であるため、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１との抵抗比の調整がしやすい。

（第３実施形態）
第３実施形態について、図８を参照して説明する。
第３実施形態では、主ブラシ３３及び複合層５１は、間に絶縁層５２を介して積層された積層ブラシ５０３として一体に形成されている。複合層５１は、整流子８０側に配置された補助ブラシ３１と、整流子８０とは反対側に配置された高抵抗部４１とが直接接続された層をなしている。高抵抗部４１と主ブラシ３３とは、配線６２により電気的に接続されている。こうして、ブラシ部３０３が構成される。

第３実施形態では、主ブラシ３３、高抵抗部４１及び補助ブラシ３１が積層ブラシ５０３として一体に形成されるため、ブラシホルダ２３の数を少なくし、組み付け工数を低減することができる。また、第２実施形態に対し、高抵抗部４１と補助ブラシ３１との間の配線６１を無くすことができる。

（第４実施形態）
第４実施形態について、図９、図１０を参照して説明する。
第４実施形態では、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１は、間に絶縁層５２を介して積層された積層ブラシ５０４として一体に形成されている。ここで、高抵抗部４２の整流子８０側の端面は、主ブラシ３３及び補助ブラシ３１の端面に対して凹んでおり、整流子８０とは接触しない。例えば図１０に示すように、積層ブラシ５０４は、各層の端面を揃えた状態で積層された後、高抵抗部４２の層を整流子８０側から途中まで削ることによって形成される。この積層ブラシ５０４単独でブラシ部３０４が構成される。

第４実施形態では、主ブラシ３３、高抵抗部４２及び補助ブラシ３１が積層ブラシ５０４として一体に形成されるため、ブラシホルダ２３の数を少なくし、組み付け工数を低減することができる。また、第３実施形態に対し、さらに、高抵抗部４１と主ブラシ３３との間の配線６２を無くすことができる。

（第５実施形態）
第５実施形態について、図１１を参照して説明する。
第５実施形態のブラシ部３０５は、第１実施形態のブラシ部３０１を基本として、正逆両方向に回転可能な回転電機に対応するため、補助ブラシ３１、３５及び高抵抗部４１、４５が主ブラシ３３に対し回転方向の両側に設けられている。補助ブラシ３５、高抵抗部４５、配線６４、６５は、それぞれ、補助ブラシ３１、高抵抗部４１、配線６２、６１と同等の構成である。第１実施形態による図４、図５の回転方向を正転方向と仮定すると、図１１には、逆転方向の回転時に流れる電流が図５と略対称に示される。

この構成により、正転時及び逆転時のいずれにおいても、高抵抗部４１、４５の摩耗による寿命低下を回避しつつ、高抵抗部４１、４５によりコイル短絡時にアークエネルギーを消費してアークの発生を抑制し、ノイズを低減することができる。

（その他の実施形態）
正逆両方向の回転に対応するためのブラシ部の構成は、第１実施形態を基本とするものの他、第２、第３、第４実施形態のいずれを基本として、主ブラシ３３に対し補助ブラシ及び高抵抗部を回転方向の両側に設けるようにしてもよい。
例えば、第２実施形態の「主ブラシ３３−絶縁層５２−補助ブラシ３１」の３層の積層ブラシ５０２を基本とする「補助ブラシ３１−絶縁層５２−主ブラシ３３−絶縁層５２−補助ブラシ３１」の５層の積層ブラシを用いることができる。正逆両方向の回転に対応する構成では、積層ブラシを用いることによるブラシホルダの数や組み付け工数を低減する効果がより顕著となる。

また、正転側と逆転側の構成は、必ずしも対称でなくてもよい。例えば第１〜第４実施形態のうち一つの構成を正転側に採用し、他の構成を逆転側に採用してもよい。
さらに、整流子８０の周方向における複数のブラシ部において、各ブラシの周方向の厚さＢｍ、Ｂｓや高抵抗部の抵抗比を部位に応じて調整してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１０・・・回転電機、
２０・・・ハウジング、２１、２２・・・磁石、
３１、３５・・・補助ブラシ、 ３３・・・主ブラシ、
４１、４２、４５・・・高抵抗部、
５０２、５０３、５０４・・・積層ブラシ、
７０・・・回転子、 ７５・・・シャフト、 ７７・・・電機子コイル、
８０・・・整流子、 ８１、８３、８５・・・整流子片。

Claims (5)

1. 回転軸であるシャフト（７５）と、
   前記シャフトに接続された回転子（７０）と、
   前記回転子に巻回された電機子コイル（７７）と、
   前記シャフトの周方向に固定される複数の整流子片（８１、８３、８５）を含む整流子（８０）と、
   前記回転子及び前記整流子を収容するハウジング（２０）と、
   前記ハウジングに固定され、前記電機子コイルに界磁を与える磁石（２１、２２）と、
   前記ハウジングに保持され、前記回転子の回転時に前記整流子の径方向外側で前記整流子に摺接される一対以上の主ブラシ（３３）と、
   前記回転子の回転方向について、スタート側からエンド側に回転すると定義すると、各前記主ブラシに対し回転方向のエンド側に配置され、前記整流子に摺接される一対以上の補助ブラシ（３１、３５）であって、前記整流子の周上における対応する前記主ブラシとの間隔（Ｌ１）が前記整流子片の周方向の長さ（Ｌ２）未満となるように配置される補助ブラシと、
   前記整流子から離間して配置され、前記主ブラシ及び前記補助ブラシに対し抵抗率の高い材質で形成され、対応する前記主ブラシと前記補助ブラシとの間に電気的に接続された高抵抗部（４１、４２、４５）と、
   を備える回転電機。
2. 前記主ブラシ及び前記補助ブラシは、間に絶縁層（５２）を介して積層された積層ブラシ（５０２）として一体に形成されており、前記主ブラシと前記補助ブラシとは、前記高抵抗部（４１）を介して電気的に接続されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記整流子側に配置された前記補助ブラシと、前記整流子とは反対側に配置された前記高抵抗部（４１）とが直接接続された複合層（５１）が設けられ、かつ、前記主ブラシ及び前記複合層は、間に絶縁層（５２）を介して積層された積層ブラシ（５０３）として一体に形成されており、前記主ブラシと前記高抵抗部とは電気的に接続されている請求項１に記載の回転電機。
4. 前記主ブラシ及び前記補助ブラシは、間に前記高抵抗部（４２）を介して積層され、前記高抵抗部の前記整流子側の端面が前記主ブラシ及び前記補助ブラシの端面に対して凹んだ積層ブラシ（５０４）として一体に形成されている請求項１に記載の回転電機。
5. 正逆両方向に回転可能な回転電機であって、
   前記補助ブラシ及び前記高抵抗部は、各前記主ブラシに対し回転方向の両側に設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。

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