JP3333296B2 - 双方向回転用ブラシ装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ブラシ装置、特に直流
機に使用される双方向回転用ブラシ装置およびその製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、直流モータや直流発電機等で
は、任意の整流子間がブラシを用いて短絡され、整流が
行われる。しかし、短絡コイル（整流コイル）を通る磁
束歪みの変化によって発生する誘導起電力、コイルのイ
ンダクタンス等によって整流時の電流変化が遅れて不足
整流となる。この結果、整流終了時に、整流コイルの電
流の変化量が大きくなり、大きなリアクタンス電圧が発
生する。これがブラシと整流子間に火花放電を発生さ
せ、整流子面を粗くし凹凸面を形成する。この結果、ブ
ラシの摩耗量が大きくなり、その寿命が著しく減少する
とともに、ブラシ自体の振動音も大きくなってしまうな
どという問題が発生する。

【０００３】特に、モータの小型化を実現するために、
高性能マグネットを使用し、マグネットの薄肉化を行う
と、整流子とステータヨーク間が小さくなるため、電機
子磁束に対する磁気抵抗が減少し、前述した不足整流が
さらに顕著となり、この結果、前述した問題点も顕著に
現われることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、従来より、
不足整流の問題を解消し、無火花整流を行うための各種
の対策が行われている。

【０００５】その代表的な対策として、ブラシの位置を
磁気的中心までシフトする方法や、補極を設けるなどの
方法がある。しかし、双方向の回転モータ等では、回転
方向によってシフト位置や、補極の向きを逆にする必要
があるため、その構造が非常に複雑となり、特に双方向
回転型の小型モータ等では、スペースの関係上、このよ
うな対策を取ることはほとんど不可能であった。

【０００６】また、これ以外の対策として、特開平４−
４６５４６号公報に係る提案も知られている。この提案
では、ブラシ前端に低抵抗材、後端に高抵抗材を用い、
ブラシ本体を二層構造とすることによって火花発生の低
減を図っている。しかし、この従来技術も、片方向回転
型のモータに対しては有効であるが、双方向回転型のモ
ータには対応することができなかった。

【０００７】また、これ以外にも、ブラシ抵抗全体ある
いはブラシと整流子の接触面全体の接触抵抗を大きくす
ることによって、良好な整流特性を得ようとする提案も
なされている。しかし、このようにブラシ全体の抵抗を
大きくすると、整流子に印加される電圧の低下を招き、
モータ性能、特にその出力トルクを大きく低下させてし
まうという問題が発生する。

【０００８】また、双方向回転用の対策として、図７に
示すよう、中央に低抵抗部８２、両端に高抵抗部８４，
８６を配した三層構造のブラシ本体８０も知られてい
る。しかし、このようにすると、後述するよう、ブラシ
の製造工程が増え、複雑になってしまうことや、各層間
で抵抗値が急激に変化してしまい、これが火花放電を引
き起こす原因となるという問題があった。

【０００９】本発明は、このような従来の課題に鑑みな
されたものであり、その目的は、簡単な構造でしかも火
花の発生を抑え、良好な整流特性を得ることができる双
方向回転用ブラシ装置およびその製造方法を提供するこ
とにある。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の双方向回転用ブ
ラシ装置の製造方法は、幅方向がロータ回転方向、高さ
方向がロータ回転方向と交叉する方向に設定された成型
空間に高抵抗の第１の材料粉末を投入する工程と、前記
成型空間の第１の材料粉末上に低抵抗の第２の材料粉末
を投入し、高さ方向に第１の材料粉末、第２の材料粉末
の順で積層させる工程と、前記成型空間の高さ方向から
積層された各材料粉末を押圧し、前記第２の材料粉末が
中央に位置する低抵抗部、前記第１の材料粉末が幅方向
両端が次第に狭くなる高抵抗部となるブラシ本体を形成
する工程と、を含むことを特徴としている。また、本発
明の双方向回転用ブラシ装置は、ロータ回転軸に沿った
方向に積層された高抵抗部及び低抵抗部で整流子接触面
が形成されたブラシ本体を含み、前記ブラシ本体は、ロ
ータ回転方向における両端から中央に向けて、整流子と
の抵抗が徐々に小さくなるように形成されていることを
特徴とする。ここにおいて、前記整流子接触面は、前記
ロータの回転軸に沿った方向の長さが、前記ロータ回転
方向の両端から中央に進むに従い、徐々に長くなるよう
に形成されていてもよい。この双方向回転用ブラシ装置
は、前記ブラシ本体に一体的に設けられ、前記高抵抗部
及び低抵抗部の積層方向に延びるピッグテールを有して
もよい。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【作用】本発明によれば、高抵抗の第１の材料粉末、お
よび低抵抗の第２の材料粉末を、所定の成形空間内に順
次投入し、所定の押圧部材を用いてこれを第２の粉末側
から押圧することにより、簡単に双方向回転用のブラシ
本体を形成することができ、双方向回転用の三層ブラシ
を形成する場合に比べ、その製造工程が簡略化され、ブ
ラシ装置自体の大幅なコストダウンを図ることができ
る。さらに、本発明では、ブラシ本体の整流子接触面を
構成する高抵抗部及び低抵抗部が、ロータ回転軸に沿っ
た方向に積層されている。また、ブラシ本体と整流子と
の抵抗が、ブラシ本体のロータ回転方向における両端か
ら中央に向けて徐々に小さくなっている。このため、そ
の抵抗値がなめらかに変化することになり、火花放電等
が発生することがない。

【００１８】

【実施例】次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき
詳細に説明する。

【００１９】まず、本発明を重ね巻きタイプの双方向回
転型小型直流モータに適用した場合を例にとり説明す
る。

【００２０】図１には，本実施例の直流モータに用いら
れる整流子１０と、双方向回転用ブラシ装置２０の要部
が概略的に示されている。図２には、前記ブラシ装置２
０を、整流子１０側から見た図が概略的に示され、図３
には、前記ブラシ装置２０を図１の矢印Ａ側から見た図
が概略的に示されている。

【００２１】前記整流子１０は、ロータ側に設けられて
いる。そして、この整流子１０は、ロータ回転方向Ｗに
沿ってリング状に整列配置された複数の整流子片１２−
１、１２−２、１２−３、……を含み、隣接する各整流
子片１２間は、それぞれ電機子コイル１４により短絡接
続されている。

【００２２】前記ブラシ装置２０は、ステータ側に設け
られている。そして、このブラシ装置２０は、図示しな
いブラシホルダーにより整流子片１２へ圧接するように
保持されたブラシ本体２２と、そのブラシ本体２２と電
源との間を接続する給電線としてのピッグテール２４と
を含む。前記ブラシ本体２２は、整流子１０と接触する
面が略台形の柱形状に形成されている。該ブラシ本体２
２の整流子１０と接触する面の幅は特に限定されるもの
ではないが、整流子片１２とほぼ同じ幅とすることが好
ましい。

【００２３】前記ブラシ本体２２は、整流子回転方向Ｗ
と直交する方向に、高抵抗部３２と低抵抗部３０とが積
層された二層構造ブラシとして形成されている。

【００２４】そして、図２に示すよう、前記高抵抗部３
２は、その幅方向両端（整流子回転方向Ｗへ向けた両
端）にテーパ部３２ａ，３２ａが形成され、その断面形
状がほぼ台形形状に形成されている。そして、その略台
形形状をした高抵抗部３２の幅狭の上面側に、同様に断
面が台形形状をした低抵抗部３０が一体的に形成されて
いる。これにより、ブラシ本体２２は、前述したよう
に、全体としてその断面が略台形形状をした柱形状に形
成されることになる。

【００２５】したがって、このブラシ本体２２のブラシ
抵抗を考えると、その接触面積が両端側に向かうに従い
次第に小さくなるように形成された長さｂの両端領域４
２，４４は、両端に行くに従いその接触抵抗が次第に大
きくなる高抵抗領域として機能し、長さａの中央の領域
４６は、低抵抗部３０と共に抵抗値の小さな低抵抗領域
を形成することになる。このように、実施例のブラシ本
体２２は、実際は低抵抗部３０および高抵抗部３２の二
層構造として形成されるが、機能的には、中央の低抵抗
領域４６と、その両端の高抵抗領域４２，４４からなる
三層構造のブラシとして機能することになる。

【００２６】しかも、高抵抗領域４２，４４の面積は、
低抵抗領域４６からその両端に行くに従い連続的に減少
する構成となっている。このため、中央の低抵抗領域４
６と両端の高抵抗領域４２，４４との間の抵抗値の変化
は連続的になめらかなものとなり、従来の三層ブラシの
ように抵抗値が急激に変化する構造となっていないた
め、後述するよう、この抵抗遷移領域で、抵抗値の急激
な変化に伴う火花放電が発生することもない。

【００２７】前記低抵抗部３０は、銅を３０〜７０ｗｔ
％含み、しかも低抵抗部３０と高抵抗部３２との抵抗比
が５倍以上または接触電圧降下比が５倍以上に設定する
ことが望ましい。実施例の低抵抗部３０は、銅を４０ｗ
ｔ％含み、低抵抗部３０と高抵抗部３２との抵抗比が１
０倍となるように設定されている。

【００２８】本実施例は以上の構成からなり、次にその
作用を説明する。

【００２９】図４には、ブラシ本体２２と整流子１０と
の間にある通電回路の概略が示され、同図（Ａ）は、ブ
ラシ本体２２と整流子１０との位置関係を示す平面概略
図、同図（Ｂ）はその側断面概略図、同図（Ｃ）は、ブ
ラシ本体２２と整流子片１２との接続状態を等価回路を
用いて表している。ここにおいて、Ｒａ，Ｒｂは、ブラ
シ本体２２の給電ポイント（ピッグテール２４との接続
点）と、各整流子片１２−１，１２−２との間のブラシ
抵抗を表している。

【００３０】実施例のＤＣモータでは、ピッグテール２
４を介しブラシ本体２２に電機子電流Ｉを通電すると、
この電機子電流Ｉはブラシ本体２２と接触する整流子片
１２を介し二つにわかれ、Ｉ／２の電流となって、各電
機子コイル１４へ向け供給されることになる。

【００３１】ここにおいて、まず、図５に示すよう、整
流子１０が矢印Ｗ方向へ回転駆動され、ブラシ本体２２
と整流子片１２との接触状態が同図（Ａ）、（Ｂ）、
（Ｃ）に示すように順次変化していく場合を想定する。

【００３２】この場合、図５（Ａ）に示すよう、整流に
突入する整流子片１２−１とブラシ本体２２との接触が
開始されると、ブラシ本体２２は整流子片１２−１の全
面との接触を完了するまでの間（ブラシ本体２２が整流
子片１２−２から完全に離脱するまでの間）が整流周期
Ｔとなる。ブラシ本体２２で整流子片１２−１、１２−
２が短絡されると、短絡コイル１４、整流子片１２−
２、ブラシ本体２２、整流子片１２−１の間で短絡回路
が形成され、短絡コイル１４の誘導起電力およびリアク
タンス電圧によってｉの電流が流れる。このとき短絡コ
イル１４に流れる電流ｉは、図６（Ｂ）に示すよう、整
流初期においてはＩ／２であるが、整流終期においては
−Ｉ／２となる。このときの理想的な整流曲線は、図６
において１００で示されている。

【００３３】このような理想的な整流曲線１００を得る
ために、従来は、図７に示すような三層ブラシ本体８０
を用いていた。この三層ブラシ本体８０は、中央の低抵
抗部８２をその両端側から高抵抗部８４，８６でサンド
イッチする三層構造に形成されている。

【００３４】そして、この三層ブラシ本体８０を用いて
図８に示すよう整流を行うと、ブラシ本体８０と各整流
子片１２−１，１２−２との間の抵抗Ｒａ，Ｒｂは、整
流の進展とともに図９（Ａ）に示すように変化する。こ
れに伴い、電機子コイル１４を流れる電機子電流ｉは、
図９（Ｂ）に示すよう、変化することになる。なお、図
９において、Ａ，Ｂ，Ｃで示す箇所は、図８（Ａ），
（Ｂ），（Ｃ）とそれぞれ対応する。

【００３５】このような三層ブラシによる整流によって
も、理想的な整流曲線１００に近い整流曲線を得ること
ができる。しかし、この従来の三層ブラシ８０では、高
抵抗部８４と低抵抗部８２との接続部分２００Ａ、低抵
抗部８２と高抵抗部８６との接続部分２００Ｂにおいて
抵抗値が急激に変化し、この結果、図９（Ｂ）に示すよ
う、電機子コイル１４に流れる電流ｉも急激に変化す
る。

【００３６】このことによって、短絡コイル１４も、図
９（Ｂ）の２００Ａ，２００Ｂの領域で大きな変化量を
持つようになってしまう。したがって、この２００Ａ，
２００Ｂのタイミングでは、リアクタンス電圧（Ｌｄｉ
／ｄｔ）の値が大きくなって、ブラシ本体２２と整流子
１０の間に火花を発生させやすい状況となってしまう。

【００３７】これに対し、本実施例では、図６（Ａ）に
示すよう、ブラシ本体２２と整流子片１２−１，１２−
２との間のＲａ，Ｒｂが連続的に変化し、しかも、電機
子コイル１４に流れる電流ｉも図６（Ｂ）に示すよう、
なめらかに変化する。したがって、従来の三層ブラシ本
体８０を用いた場合に比べ、急激な抵抗値変化の問題が
なく、火花放電のない良好な整流を行うことができる。

【００３８】しかも、実施例のブラシ本体２０は、その
断面が左右対称に形成されているため、整流子１０の回
転方向Ｗが反転した場合でも、良好な整流極性を発揮す
ることができる。

【００３９】これに加えて、本実施例のブラシ本体２２
は、低抵抗領域４６と整流子片１２とが十分な接触面積
をもって接触することになるため、ブラシ本体２２部分
での電圧低下が少なくなり、出力トルクの低下等といっ
た直流機本来の性能を損なうこともない。

【００４０】図１０には、前記実施例に係るブラシ本体
２２の製造工程が示されている。

【００４１】前記ブラシ本体２２の製造装置は、圧縮成
形型を構成する成形用ダイス２００と、押圧部材として
機能する下パンチ２１０および上パンチ２２０と、ブラ
シ用の２種類の原料粉末を投入するための図示しないフ
ィーダーとを含んで構成されている。

【００４２】前記成形用ダイス２００は、ブラシの原料
粉末を加圧するための成形用空間３００を有しており、
この成形用空間３００に沿って上パンチ２２０と下パン
チ２１０が移動して原料粉末を２方向から押圧する。以
下、この製造装置を用いた製造工程を順を追って説明す
る。

【００４３】工程１ 最初に、図１０（Ａ）に示すよう、成形用空間３００
へ、高抵抗の第１の材料粉末４１０を図示しないフィー
ダーを用いて適量充填する。

【００４４】工程２ 次に、図１０（Ｂ）に示すよう、図示しないフィーダー
を用いて、前記成形空間３００上に低抵抗の第２の材料
粉末４１０を適量充填する。これにより、成形空間３０
０内には、第１の材料粉末４１０と第２の材料粉末４２
０とが積層された状態となる。

【００４５】工程３ 次に、図１０（Ｃ）に示すよう、成形用空間３００に上
パンチ２２０を降下させる。このとき、上パンチ２２０
の先端に設けられた台形状の窪み２２２により、積層さ
れた第１および第２の材料粉末４１０，４２０は、断面
がほぼ台形状をした形状に加圧整形される。

【００４６】工程４ 次に、図１０（Ｄ）に示すよう、上パンチ２２０を上方
に退避させ、その後図１０（Ｅ）に示すよう下パンチ２
１０を上方に移動させ、加圧形成されたブラシ本体２２
を取り出す。そして、この取り出したブラシ本体２２を
所定の焼成工程で焼成し、実施例のブラシ本体２２が完
成する。

【００４７】このように、本実施例の製造方法によれ
ば、一般の二層ブラシの場合と同様な工程で、ブラシ本
体２２を形成することができる。これに対して従来の三
層ブラシ本体を形成する場合には、材料を型に詰め込む
工程が一つ増えてしまう。さらに、寸法精度を要求され
る場合には、各材料を詰め込む度に仮圧縮等の工程を必
要とするために、さらに複雑な工程となってしまう。こ
のことからも、本実施例によれば、従来の三層ブラシに
比べ、より良好な整流特性を持つ双方向回転用ブラシ装
置を、三層ブラシより簡単な製造工程で安価に製造可能
であることが理解されよう。

【００４８】なお、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施例
が可能である。

【００４９】例えば、前記実施例では、ブラシ本体を断
面が略台形状に形成される場合を例にとり説明したが、
本発明はこれに限らず、必要に応じ、本発明の要旨の範
囲内で各種の形状に形成できる。

【００５０】例えば、低抵抗領域４６とその両端の高抵
抗領域４２，４４との抵抗差をより大きく設定する場合
には、図１１に示すよう、ブラシ本体２２の両端側のテ
ーパ面３２ａ，３２ａを曲線形状に形成すればよい。

【００５１】なお、本発明者は、図１２（Ａ），（Ｂ）
に示すよう、単一部材で形成され、その形状が前記各実
施例と同様なブラシ本体２２を用い、同様な整流特性の
実験を行った。その実験の結果、ブラシ本体２２のロー
タ接触面４０を、その両端が次第に狭くなるように形成
するだけでも、ある程度の整流特性の改善が見られた。
しかし、前述した本実施例のブラシ本体を用いた場合の
ような、良好な整流特性を得ることはできなかった。

【００５２】また、前記実施例では、本発明を通常の重
ね巻きタイプの直流機に適用した場合を例にとり説明し
たが、本発明はこれに限らず、これ以外にも、例えば二
重重ね巻きタイプの直流機に対しても適用可能である。

【００５３】

【００５４】

【発明の効果】本発明の方法によれば、簡単な方法で、
良好な整流特性を有する双方向回転用ブラシ装置を製造
することができるという効果がある。さらに、本発明に
よれば、ブラシ本体の整流子接触面を構成する高抵抗部
及び低抵抗部が、ロータ回転軸に沿った方向に積層され
ている。また、ブラシ本体と整流子との抵抗が、ブラシ
本体のロータ回転方向における両端から中央に向けて徐
々に小さくなっている。このため、その抵抗値がなめら
かに変化することになり、火花放電等が発生することが
ないという優れた効果を奏する双方向回転用ブラシ装置
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された小型直流モータに用いられ
る整流子およびブラシ装置の概略斜視説明図である。

【図２】図１に示すブラシ装置を整流子側から見た概略
説明図である。

【図３】図１に示すブラシ装置を矢印Ａ側から見た概略
説明図である。

【図４】ブラシ本体と整流子片の相対位置および電流の
流れる方向を示す概略説明図である。

【図５】ロータの回転にともなうブラシ本体と整流子片
との相対位置の変化を示す説明図である。

【図６】同図（Ａ）は、ブラシ装置と各整流子片との間
のブラシ抵抗の変化を示す説明であり、同図（Ｂ）は、
整流特性の説明図である。

【図７】従来の三層ブラシの平面概略説明図である。

【図８】従来の三層ブラシを用いて整流を行う場合にお
けるブラシ本体と整流子片との相対位置関係の変化を示
す説明図である。

【図９】同図（Ａ）は、図７に示す従来の三層ブラシを
用いて整流を行う場合のブラシ抵抗の変化を示す特性
図、同図（Ｂ）は、整流特性の説明図である。

【図１０】実施例のブラシ本体の製造工程の説明図であ
る。

【図１１】本実施例のブラシ装置の変型例の説明図であ
る。

【図１２】ブラシ本体を単一材料で形成した場合の説明
図である。

【符号の説明】

３０ 低抵抗部 ３２ 高抵抗部 ４０ 整流子接触面 ４２ 高抵抗領域 ４４ 高抵抗領域 ４６ 低抵抗領域

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 幅方向がロータ回転方向、高さ方向がロ
   ータ回転方向と交叉する方向に設定された成型空間に高
   抵抗の第１の材料粉末を投入する工程と、 前記成型空間の第１の材料粉末上に低抵抗の第２の材料
   粉末を投入し、高さ方向に第１の材料粉末、第２の材料
   粉末の順で積層させる工程と、 前記成型空間の高さ方向から積層された各材料粉末を押
   圧し、前記第２の材料粉末が中央に位置する低抵抗部、
   前記第１の材料粉末が幅方向両端が次第に狭くなる高抵
   抗部となるブラシ本体を形成する工程と、 を含むことを特徴とする双方向回転用ブラシ装置の製造
   方法。
2. 【請求項２】 ロータ回転軸に沿った方向に積層された
   高抵抗部及び低抵抗部で整流子接触面が形成されたブラ
   シ本体を含み、 前記ブラシ本体は、ロータ回転方向における両端から中
   央に向けて、整流子との抵抗が徐々に小さくなるように
   形成されていることを特徴とする双方向回転用ブラシ装
   置。
3. 【請求項３】 前記整流子接触面は、前記ロータの回転
   軸に沿った方向の長さが、前記ロータ回転方向の両端か
   ら中央に進むに従い、徐々に長くなるように形成されて
   いることを特徴とする請求項２に記載の双方向回転用ブ
   ラシ装置。
4. 【請求項４】 前記ブラシ本体に一体的に設けられ、前
   記高抵抗部及び低抵抗部の積層方向に延びるピッグテー
   ルを有することを特徴とする請求項２又は３に記載の双
   方向回転用ブラシ装置。