JP2021136758A - ブラシホルダ、及びモータ - Google Patents

Abstract

【課題】電流の切り替えタイミングを変更できるＤＣモータを提供することである。【解決手段】ブラシ付きＤＣモータであって、上下に延びる中心軸を中心に回転するロータと、前記ロータの外周面の一部に設けられたコンミテータと、前記コンミテータと径方向に対向するブラシと、を備え、前記コンミテータは、複数の通電部と、前記通電部と同数の非通電部を周方向に交互に備え、前記通電部の軸方向一方側端部と軸方向他方側端部の周方向位置は異なり、前記ブラシは、前記通電部と径方向に接触し、前記ブラシと前記通電部の軸方向位置は互いに変更可能である、ブラシ付きDCモータ。【選択図】図２

Description

本発明は、ブラシホルダ、及びモータに関する。

ブラシ付きＤＣモータは、コンミテータとブラシによって通電を切り替え回転する。周方向に固定されるブラシは、周方向に回転するコンミテータの外周面に接触しスライドする。コンミテータは周方向に分割され、隣接するコンミテータ同士の間には軸方向に延びる溝がある。ブラシは、コンミテータに接するようにブラシホルダで保持されている。ブラシは、隣接するコンミテータ同士の間の溝を周方向に乗り越えることで通電を切り替えることが出来る。

コンミテータは巻線が巻かれたロータと一体であり、通電の切り替えによりロータの励磁が切り替えられる。ブラシ付きＤＣモータにおいて、ロータへの通電の切り替えタイミングと、ステータのマグネットの位置関係は、モータの特性、ブラシの寿命などに関係する。

従来から、整流子との接触により転動する給電用ブラシを用いた構成において、整流子の回転に支障を来すことなく良好な整流を行うことが可能な直流モータを実現する為の直流モータは、回転する整流子と、回転状態の整流子と当接することにより転動する給電用ブラシと、を備えており、整流子は、その回転方向に沿って並ぶ複数のセグメントと、セグメント間に形成された複数のスリットと、を備え、各スリットの形成方向は、給電用ブラシが転動する際の中心軸の軸方向に対して傾いている構造が開示されている。例えば、特許文献１には、転動する給電用ブラシと、中心軸に対して傾いたスリットを持つ整流子が開示されている。

特開２０１３−０２７１７１号公報

ＤＣモータにおいて、コンミテータとロータスロットの周方向位置はいくつかの部品によって決められる。しかし、これら部品の各部寸法にはバラツキがある。また、ブラシの周方向位置と、ステータマグネットの周方向位置にも同様にバラツキがある。このバラツキにより、ステータマグネットの周方向位置に対する電流切り替えタイミングがばらつくことが、モータ特性のバラツキの原因となる。

本発明の目的は、部品の各部寸法のバラツキがモータ特性に与える影響を抑制する事である。

本願の例示的な第１発明は、軸方向に対して斜めのスリットをもつコンミテータとコンミテータに接触するブラシの、軸方向の接触位置を調整可能とした。

本願の例示的な第１発明によれば、ブラシとコンミテータ軸方向位置を調整する事で、これにより、ステータマグネットの周方向位置にたいする電流切り替えタイミングを調整可能となり、モータ特性を調整できた。
これにより、モータの特性のバラツキを抑制することができる。
また、軸方向位置の調整方法によっては、回転方向により、特性を変えることも可能となる。

本発明の第１実施形態に係るブラシホルダを備えたモータの概略斜視図である。 図１のモータ１０を、ブラシホルダ３０の中心軸Ｊに対する周方向中心と中心軸Ｊとを結ぶ位置で破断して示す断面図である。 モータ１０からモータハウジング２１を取り外した状態を＋Ｙ側から見た側面図であって、コンミテータ５２の近傍を拡大して示す図である。 コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を＋Ｙ側から見た側面図である。 コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を−Ｘ側から見た側面図である。 コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を−Ｙ側から見た側面図である。 コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を＋Ｘ側から見た側面図である。 モータハウジング２１の斜視図である。 ブラシホルダ３０の斜視図である。 カバー部材３２の斜視図である。 図９に示したブラシホルダ３０を、図９とは異なる向きから見た斜視図である。 図２に示したモータ１０の断面図のブラシ４５の近傍を拡大して示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るブラシホルダについて説明する。
ブラシホルダは、ブラシ付きＤＣモータに設けられ、ブラシを保持する。なお、以下の図面においては、各構成をわかり易くするために、実際の構造と各構造における縮尺及び数等を異ならせる場合がある。

また、図面においては、適宜３次元直交座標系としてＸＹＺ座標系を示す。ＸＹＺ座標系において、Ｚ軸方向は、図１に示す中心軸Ｊの軸方向と平行な方向とする。Ｘ軸方向は、中心軸Ｊに対する径方向のうち図１に示すブラシホルダ３０の中心軸Ｊに対する周方向中心と中心軸Ｊとを結ぶ方向と平行な方向とする。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向とＺ軸方向との両方と直交する方向とする。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のいずれにおいても、図中に示す矢印が指す側を＋側、反対側を−側とする。

また、以下の説明においては、Ｚ軸方向の正の側（＋Ｚ側）を「フロント側」又は「一方側」と呼び、Ｚ軸方向の負の側（−Ｚ側）を「リア側」又は「他方側」と呼ぶ。なお、リア側（他方側）及びフロント側（一方側）とは、単に説明のために用いられる名称であって、実際の位置関係及び方向を限定しない。また、特に断りのない限り、中心軸Ｊに平行な方向（Ｚ軸方向）を単に「軸方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする径方向を単に「径方向」と呼び、中心軸Ｊを中心とする周方向、すなわち、中心軸Ｊの軸周り（θ方向）を単に「周方向」と呼ぶ。径方向において中心軸Ｊに近づく側を「径方向内側」と呼び、中心軸Ｊから遠ざかる側を「径方向外側」と呼ぶ。周方向において、図１の矢印が指す側を＋θ側（周方向一方側）、反対側を−θ側（周方向他方側）とする。

なお、本明細書において、「軸方向に延びる」とは、厳密に軸方向（Ｚ軸方向）に延びる場合に加えて、軸方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。また、本明細書において、「径方向に延びる」とは、厳密に径方向、すなわち、軸方向（Ｚ軸方向）に対して垂直な方向に延びる場合に加えて、径方向に対して、４５°未満の範囲で傾いた方向に延びる場合も含む。

［第１実施形態］
＜全体構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るブラシホルダを備えたモータの概略斜視図である。本実施形態のブラシホルダ３０及び３１は、モータ１０に設けられる。
図２は、図１のモータ１０を、ブラシホルダ３０の中心軸Ｊに対する周方向中心と中心軸Ｊとを結ぶ位置で破断して示す断面図である。

モータ１０は、図２に示すように、モータハウジング２１と、ロータ５０と、モータシャフト４１と、ステータ４０と、ベアリング５５ａ及び５５ｂと、ブラシホルダ３０及び３１と、ブラシ４５及び４６と、コンミテータ５２と、カバー部材３２と、を有する。モータ１０は、ブラシ付きＤＣモータであり、ロータ５０がモータシャフト４１の外周面に固定され、ステータ４０がロータ５０の径方向外側に位置する。ステータ４０は、ロータ５０と径方向に隙間を介して対向する。また、ベアリング５５ａは、モータシャフト４１のリア側（−Ｚ側）端部に配置され、ベアリング５５ｂは、モータシャフト４１のフロント側（＋Ｚ側）端部に配置され、ベアリング５５ａ及び５５ｂはモータシャフト４１を回転可能に支持する。ベアリング５５ａ及び５５ｂの形状、構造等は、特に限定されず、いかなる公知のベアリングも用いることができる。

ロータコア５１は、モータシャフト４１を軸周り（θ方向）に囲んで、モータシャフト４１に固定される。ロータ５０は、ロータコア４３と、ロータコア４３に巻き回されたコイル（不図示）と、を有する。絶縁性の部材である樹脂部材４７は、モータシャフト４１を軸周りに囲んで、モータシャフト４１に固定される。樹脂部材４７の外周面には、ロータコア４３に巻き回されたコイルに接続されたコンミテータ５２が配置される。コンミテータ５２は、モータシャフト４１の軸回りに配置される。ロータコア４３、ロータコア４３に巻き回されたコイル、樹脂部材４７、及びコンミテータ５２は、モータシャフト４１とともに回転する。ロータ５０は、コンミテータ５２を含むものであってもよい。

モータハウジング２１は、軸方向一方側でベアリング５５ｂを固定する有底の薄肉筒状である。モータハウジング２１の内周面は、中心軸Ｊを中心とする筒形状である。モータハウジング２１の内周面にはマグネット４４が固定され、ステータ４０を構成している。モータハウジング２１の軸方向他方側にはカバー部材３２が固定される。カバー部材３２は、中心軸Ｊを中心とした板状の部材である。カバー部材３２は、中心軸Ｊを中心とする円筒状であり、軸方向他方側に突出する凸部３２ａを有する。凸部３２ａの内周面には、ベアリング５５ａが固定される。本実施形態においては、円筒形状を挙げているが、これに限らず、角筒等も含む。

モータハウジング２１は、軸方向他方側の端部に切り欠き部２１ａを有する。切り欠き部２１ａは、モータハウジング２１の周方向において１８０°の間隔で２か所に配置されている。カバー部材３２は、径方向の端部に切り欠き部３２ｂ及び３２ｃを有する。切り欠き部３２ｂと切り欠き部３２ｃとは、周方向において１８０°の間隔で配置されている。詳しくは後述するが、ブラシホルダ３０は切り欠き部３２ｂ及び２つの切り欠き部２１ａの一方に嵌り固定され、ブラシホルダ３１は切り欠き部３２ｃ及び２つの切り欠き部２１ａの他方に嵌り固定される。ブラシホルダ３０は、ブラシ４５を収容し、収容したブラシ４５をコンミテータ５２に押し付けて保持する。ブラシホルダ３１は、ブラシ４６を収容し、収容したブラシ４６をコンミテータ５２の外周面に押し付けて保持する。ブラシホルダ３１は、ブラシホルダ３０と同じ構造であるため、以下では、ブラシホルダ３０について説明し、ブラシホルダ３１の説明は省略する場合がある。また、ブラシ４６は、ブラシ４５と同じ構造である。

ブラシホルダ３０は、ブラシ４５を収容する収容部３４を有する。収容部３４は、ブラシ４５を収容して保持する保持孔３６を有する。保持孔３６は、径方向内側に開口し、径方向外側に延びる。本実施形態では、保持孔３６の延びる方向は、モータシャフト４１と直交する方向である。保持孔の延びる方向は、モータシャフト４１と直交しない方向であってもよい。

ブラシホルダ３０は、端子部材３５が挿入される保持部３３を有する。端子部材３５は、不図示のピグテールによってブラシ４５と接続される。ブラシ４５は、径方向外側の端部に、径方向外側に突出する凸部４５ｂを有する。コイルばねであるばね部材４２は、凸部４５ｂに嵌る。ばね部材４２は、ブラシ４５と端子部材３５との間に配置され、ブラシ４５を、径方向内側すなわちコンミテータ５２側に付勢する。端子部材３５に通電すると、ピグテール、ブラシ４５、及びコンミテータ５２を介してコイルに通電される。

図３は、モータ１０からモータハウジング２１を取り外した状態を＋Ｙ側から見た側面図であって、コンミテータ５２の近傍を拡大して示す図である。
ブラシホルダ３０は、周方向他方側に側孔３６ａを有する。ブラシ４５は、周方向他方側にピグテール接続部４５ａを有する。保持孔３６に収容されたブラシ４５のピグテール接続部４５ａは、側孔３６ａによって外部に露出し、ピグテール接続部４５ａと端子部材３５とがピグテールによって接続される。

コンミテータ５２は、複数の金属片を周方向に配置して構成される。本実施形態では、図４〜図７に示すように、コンミテータ５２は、金属片５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、及び５２ｇの７つの金属片から構成される。
図４は、コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を＋Ｙ側から見た側面図である。
図５は、コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を−Ｘ側から見た側面図である。
図６は、コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を−Ｙ側から見た側面図である。
図７は、コンミテータ５２、ブラシ４５、及びブラシ４６の配置状態を＋Ｘ側から見た側面図である。

金属片５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、及び５２ｇのそれぞれと、これらの金属片との間には、軸方向に対して斜めに溝部５３が設けられている。溝部５３は、隣接する金属片同士を電気的に絶縁する絶縁部として機能する。本実施形態では、溝部５３は空間である。
溝部５３は、空間であるものに限られず、例えば、樹脂部材４７が溝部５３の位置で径方向外側に突出し、隣接する金属片同士の間を埋め、樹脂部材４７により金属片同士の絶縁を確保するものであってもよい。また、樹脂部材４７以外の絶縁部材によって、隣接する金属片同士の間である溝部５３を埋めるようにしてもよい。本実施形態では、溝部５３は軸方向と平行ではない方向に延びる。

コンミテータ５２の外周面に押し付けられたブラシ４５及び４６は、ロータ５０の回転に伴い、溝部５３を乗り越えながら、金属片５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ、５２ｅ、５２ｆ、及び５２ｇに順に接する。

図８は、モータハウジング２１の斜視図である。図８では、内周面にマグネット４４が固定された状態のモータハウジング２１を示している。
図９は、ブラシホルダ３０の斜視図である。
図１０は、カバー部材３２の斜視図である。
ブラシホルダ３０の収容部３４は、径方向に延びる挿入溝３４ａを有する。カバー部材３２の切り欠き部３２ｂの縁部が挿入溝３４ａに挿入されることで、ブラシホルダ３０とカバー部材３２とが固定される。

ブラシホルダ３０の保持部３３は、モータハウジング２１の切り欠き部２１ａに嵌る側面部３３ａを有する。また、保持部３３は、端子部材３５を軸方向に挿入する挿入孔３４ｂを有する。
ブラシホルダ３０をモータ１０に取付ける際には、切り欠き部３２ｂの縁部を挿入溝３４ａに圧入してブラシホルダ３０とカバー部材３２とを固定した状態で、側面部３３ａを切り欠き部２１ａに圧入する。また、カバー部材３２の凸部３２ａの内周面にはベアリング５５ａが固定され、これにより、保持孔３６に収容したブラシ４５とコンミテータ５２との位置決めがされる。

図１１は、図９に示したブラシホルダ３０を、図９とは異なる向きから見た斜視図である。図１１は、ブラシホルダ３０の保持孔３６が見える向きでブラシホルダ３０を示している。
保持孔３６の縦方向長さは、保持孔３６に挿入されるブラシ４５の縦方向長さよりも長い。その為、ブラシ４５は保持孔３６の中で軸方向に移動することができる。

本願のモータは、斜めのコンミテータとブラシホルダ３０の保持孔３６の中で軸方向に移動可能なブラシ４５の軸方向位置を調整する構造をもつ。ブラシ４５の軸方向位置の調整は、保持孔３６とブラシ４５の軸方向隙間にスペーサＤ１、Ｄ２を挿入しても良い。また、バネなどで軸方向に付勢しよもよい。また、ねじなどを設けて軸方向の位置を限定する方法などがある。

また、回転方向によりロータの軸方向位置を変えることで、切り替えタイミングを変更する事もできる。例えば、ウォームギヤ軸の駆動では、回転方向によって要求される回転数、トルクが異なると同時に軸方向への負荷の向きも異なる。ロータにかかる軸方向の負荷によりロータが軸方向に移動することで、斜めのコンミテータとブラシの位置関係が変わり通電の切り替えタイミングが変化し、速度とスピードを好適に合わせることが出来る。

ＤＣモータの特性は、ステータマグネットに対してロータへの通電切り替えを行うタイミングで異なる。ロータへの通電切り替えのタイミングを、ステータマグネットの位置に対して早くすると高速回転するが、低速で低いトルクとなる。逆にタイミングを遅くすると最大回転数は下がるが低速で高いトルクとなる。

ロータへの通電切り替えは、ロータと共に回転するコンミテータと、コンミテータと接触して通電するブラシによって行われる。コンミテータは複数の通電部と絶縁部が周方向に交互に配置され、更にそれぞれの通電部はロータのそれぞれの巻線と電気的に繋がれている。各通電部に通電する事で通電されるロータ巻線が異なる。ブラシは周方向に回転するコンミテータと径方向に接触する。ロータの回転に伴い接触する通電部が変わることで通電切り替えを行うことが出来る。

ロータは軸受けで回転自在に保持されている。また、熱膨張や使用する部品の軸方向長さのバラツキを吸収するために、ロータは軸受けで軸方向に移動可能な隙間を設けている。
通電部は軸方向と平行に設ける事で、ロータが軸方向に移動しても特性への影響を抑えることができる。

図１２の例では、ばね部材４２の付勢により、ブラシ４５は、保持孔３６内でコンミテータ側に不正されている。当時に、保持孔３４とブラシ４５の軸方向に挿入したスペーサＤ１、Ｄ２によって、保持孔３４の中で軸方向一方側の位置に保持されている。

＜コンミテータとブラシホルダの作用・効果＞
次に、コンミテータとブラシホルダ、およびスペーサの作用・効果について説明する。

上述の実施形態に係る発明においては、斜めに溝が設けられたコンミテータと、保持孔３６内でスペーサＤ１、Ｄ２により軸方向一方側に保持されたブラシ４５によって、ロータへの電流切り替えのタイミングを設定する事で、モータ特性を好適に設定可能である。また、スペーサＤ１の枚数や厚さ、および、スペーサＤ２の枚数や厚さを変更する事で、モータ特性を変更する事ができる。

本願のブラシ付きＤＣモータは、上下に延びる中心軸を中心に回転するロータと、前記ロータの外周面の一部に設けられたコンミテータと、前記コンミテータと径方向に対向するブラシと、を備えている。前記コンミテータは、複数の通電部と、前記通電部と同数の非通電部を周方向に交互に備え、前記通電部の軸方向一方側端部と軸方向他方側端部の周方向位置は異なり、前記ブラシは、前記通電部と径方向に接触し、前記ブラシと前記通電部の軸方向位置は互いに変更可能である。

この様なブラシ付きＤＣモータは、巻線への通電切り替え通電の切り替えタイミングを変更できるので、モータの特性の調整が可能である。

また、ブラシ付きＤＣモータでは、前記ブラシホルダに設けられた、前記ブラシの挿入部の軸方向長さは、前記ブラシの軸方向長さよりも長い。

この様なブラシ付きＤＣモータでは、ブラシは、ブラシホルダ内で軸方向の位置を調整することができる。また、軸方向に調整する事で、巻線への通電切り替え通電の切り替えタイミングを変更できるので、モータの特性の調整が可能である。

また、ブラシ付きＤＣモータは、前記ブラシを周方向に固定するブラシホルダを備える。

この様なブラシ付きＤＣモータは、回転する通電部に対してブラシの位置を固定できるので、調整した巻線への通電切り替え通電の切り替えタイミングを維持できる。

また、ブラシ付きＤＣモータは、前記ブラシホルダに設けられた、前記ブラシの挿入部の軸方向長さは、前記通電部の軸方向長さよりも長い。

この様なブラシ付きＤＣモータは、個体により通電部の軸方向位置が異なっても、ブラシの挿入部の軸方向上または下側にスペーサを入れることで軸方向位置を調整できる。

また、ブラシ付きＤＣモータでは、前記ブラシは、軸方向一方側から他方側に付勢されている。

この様なブラシ付きＤＣモータは、他方側の位置を調整する事で軸方向位置を変更する事ができる。

また、ブラシ付きＤＣモータは、前記ロータは、回転方向により、軸方向に異なる方向に移動可能である。

この様なブラシ付きＤＣモータは、回転方向により異なる特性を得ることが出来る。例えば、ハスバ歯車やウォームギヤを使用する事で、モータの回転により軸方向の力が加わり、ロータと共に通電部を軸方向に移動できる。

上述した実施形態のブラシホルダの用途は、特に限定されない。上述した実施形態のブラシホルダは、例えば、ブラシ付きＤＣモータに設けられる。また、上述した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲及び要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０ モータ
４０ ステータ
５０ ロータ
３０、３１ ブラシホルダ
４５、４６ ブラシ
５２ コンミテータ

Claims (7)

1. ブラシ付きＤＣモータであって、
   上下に延びる中心軸を中心に回転するロータと、
   前記ロータの外周面の一部に設けられたコンミテータと、
   前記コンミテータと径方向に対向するブラシと、を備え、
   前記コンミテータは、複数の通電部と、前記通電部と同数の非通電部を周方向に交互に備え、
   前記通電部の軸方向一方側端部と軸方向他方側端部の周方向位置は異なり、
   前記ブラシは、前記通電部と径方向に接触し、
   前記ブラシと前記通電部の軸方向位置は互いに変更可能である、
   ブラシ付きDCモータ。
2. 前記ブラシホルダに設けられた、前記ブラシの挿入部の軸方向長さは、前記ブラシの軸方向長さよりも長い。
3. 前記ブラシを周方向に固定するブラシホルダを備える。
4. 前記ブラシホルダに設けられた、前記ブラシの挿入部の軸方向長さは、前記通電部の軸方向長さよりも長い。
5. 前記ブラシは、軸方向一方側から他方側に付勢されている。
6. 前記ロータは、回転方向により、軸方向に異なる方向に移動可能である。
7. 前記回転軸と前記回転軸の軸回りに配置された前記コンミテータとを有するロータと、
   前記ロータと径方向に隙間を介して対向するステータと、
   前記ブラシと、
   請求項１から９のいずれか１項に記載のブラシホルダと、
   を有する、モータ。
   
   

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