JP3703027B2 - 非線形ばね特性を有するブラシタイプ小形直流モータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用電化機器や事務機、電子計算機の周辺機器などに用いられるブラシタイプ小形直流モータの「ブラシ押圧ばね機構」に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献１】
一木 利信著「電機用ブラシの理論と実際」コロナ社刊、昭和５３年３月１日発行
【非特許文献２】
ばね技術研究会編「ばね」丸善株式会社、昭和５７年１２月２０日発行。
【０００３】
図８は従来から多用されているブラシタイプの小形直流モータの断面図である。本例ではケース１の内周部に磁極を構成する永久磁石２が装着され固定子組立３を構成し、ブラケット４にはブラシホルダー５が装着され、このブラシホルダー５の内部にはブラシ６とブラシ押圧用コイルばね７が組み込まれ、モータ端子８，９が組み付けられている。また回転軸１０に装着された電機子鉄心１１に巻線１２が施さ
れ整流子１３に接続され電機子１４を構成している。
この様に構成された前述の固定子組立３とブラケット４とでもって二つの軸受１５，１６を用いて電機子１４を支え小形直流モータを構成する。
この様にブラシタイプの小形直流モータは構造が比較的簡単であるため、速度可変自在の安価な動力源として今も尚多用されている。
図９は図８のＡ−Ａ’断面図で、ブラシホルダー５、ブラシ６、コイルばね７、整流子１３等の組立構成図である。
【０００４】
非特許文献１にはブラシ圧力とブラシ磨耗度の関係が記されている。
即ち、前述の様な構成の直流モータにおいては、ブラシ圧力とブラシ磨耗度の関係は図１０に示すように、ブラシ圧力が小さいと整流火花による電気的磨耗が多く、ブラシ圧力が大きくなると機械的磨耗が増大する。
小形直流モータにおいては、線形ばね特性を有するコイルばねを用いた場合、ブラシ圧力の範囲はモータ運転の初期においては機械的磨耗範囲に有り、徐々にブラシの磨耗が進み最適範囲で運転される様になる。更にブラシの磨耗が進むとブラシ圧力が小さくなるので火花整流となり電気的磨耗の範囲に入る。これが進むとブラシが完全に磨耗しついには小形直流モータの寿命に至る。
従って小形直流モータの駆動開始の初期から、ブラシの有効長さ分が磨耗するまでの間、ブラシ圧力は図１０の最適範囲に有り、ブラシ圧力の変化量は出来る限る少ない事が望ましい事となる。
【０００５】
前述の様なブラシ磨耗の条件を考慮すると、ブラシ磨耗が少なくなる理想的なばね特性は図１１となる。即ちたわみの少ないＯからＡの範囲は使用しない様に設計するので直線的でも良いが、実際に使用するコイルばねのたわみＡからＢの範囲における荷重はＤからＥで、出来る限り荷重の変化量が少ない事が望ましい。又たわみが大きくなるとばねの素線がお互いに接触する様になるから急激に荷重が増しＢからＣの範囲となるが、この範囲は出来る限り使用しなことが望ましい。即ち、小形直流モータのブラシ押圧用コイルばねは、図１１に示す様な非線形ばね特性を有する事が望ましい。
【０００６】
従来から非線形ばね特性を有するコイルばねとしては、不等ピッチコイルばね、円すいコイルばね、つづみ形コイルばね、たる形コイルばね等が知られているが、いずれも汎用的なばねではなく、また図１１に示すような小形直流モータ用として理想的なばね特性は得られていない。
【０００７】
非特許文献２には非線形ばね特性を得る方法が記されている。その大要を次に示す。
非線形ばね特性を得る方法として「直列法による組み合わせばね」がある。この方法は図１２に示す様にばね定数（Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３）の異なったコイルばねを直列に組み合わせる方法である。この時の総合ばね定数Ｋは次式のように成り、たわみと荷重の関係は図１３となり非線形ばね特性が得られる。
１／Ｋ＝１／Ｋ１＋１／Ｋ２＋１／Ｋ３＋…・
本発明では、この「非線形ばね特性を得る方法」に着目し、「線形ばね特性を有する一つのコイルばね」を用いて「非線形ばね特性を有するブラシ押圧機構」を得ようとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ブラシタイプ小形直流モータの寿命を長くするために、ブラシ押圧用コイルばねのたわみに対して荷重の変化量が出来得る限り少なくなる様な「非線形ばね特性を有するブラシ押圧機構」を提供することが課題である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
線形ばね特性を有するコイルばねをブラシホルダーに入れ、このブラシホルダーの回転方向内面幅Ｂ２は、コイルばねが自由に移動出来る様にコイルばねの外形寸法より僅かに大きくする。
内面幅Ｂ２に直角方向の軸方向内面幅Ｂ１はコイルばねの外径寸法より充分大きく、コイルばね外径寸法Ｓ１の１．５倍から２倍程度とする。
ブラシホルダー長さは小形直流モータの構造により異なり任意の長さとする事が出来るが、本例ではブラシホルダーの外径寸法を小形直流モータ外径寸法とほぼ同程度とし、コイルばねの自由長以下とする。
このブラシホルダー内にブラシ及び線形ばね特性を有するコイルばねを収納し、ブラシホルダーのコイルばね受部によりコイルばねを受け、ブラシのコイルばね結合部にてコイルばねを結合した上で押圧を与える様に構成する。この様にして「線形コイルばねを用いた非線形ばね特性を有するブラシ押圧機構」を構成する。
【００１０】
【実施例】
以下実施例について説明する。
図１は本発明になる小形直流モータの断面図で、モータ組立後運転開始初期におけるブラシ２１、ブラシ押圧コイルばね２２、ブラシホルダー２３、ブラケット２４、整流子２５の位置関係を示した図である。
図２は図１のＡ部拡大図で、ブラシ２１、ブラシ押圧コイルばね２２、ブラシホルダー２３、ブラケット２４、整流子２５の位置関係を示し、この時の矢視Ｚ断面図を図３に示す。
図２から明らかの様に、ブラシホルダー２３の軸方向内面幅Ｂ１はコイルばね２２の外径寸法Ｓ１より充分広く、１．５倍から２倍程度とする。一方図３に示す様にブラシホルダー２３の回転方向の内面幅Ｂ２はコイルばねの外径寸法Ｓ１より僅かに幅広とし、コイルばね２２がブラシ２１の長手Ｎ方向に移動できる様になっている。このためコイルばね２２が圧縮されると図２の様にＳ字状に圧縮され収納される。この時コイルばね２２はＱ１、Ｑ２点でブラシホルダー２３の側板２６、ブラケット平面部２７に接し、また回転方向においては側板２８，２９に接し曲がるのが押さえられている。
【００１１】
図２の状態ではコイルばね２２が最大に圧縮され、「Ｓ字状」に圧縮された状態でブラシホルダー２３に収納されている。この結果ブラシ２１は荷重Ｆａで加圧され、整流子２５に接触する。
この時の各部のばね定数ｋ６、ｋ７、ｋ８を仮定すると、総合ばね定数ｋｄは等価的に次式に表すことが出来る。
１／ｋｄ＝２／ｋ６＋２／ｋ７＋１／ｋ８
【００１２】
図４はモータの使用時間が進んだ結果、ブラシの磨耗が多くなったモータ運転末期におけるブラシ２１、ブラシ押圧コイルばね２２、ブラシホルダー２３、ブラケット２４、整流子２５の位置関係を示した図である。
図５は図４の矢視Ｘ断面図を示している。図４、図５では、ブラシ２１の有効長さ分が磨耗したためブラシ長さが短くなっている。このためコイルばね２２は緩やかなＳ字状となり点Ｑ４、Ｑ５で側板２６，ブラケット平面部２７に接しているがその圧力は弱まっている。また図５に示される側板２８，２９との接触圧力も弱まっている。
【００１３】
図４の状態ではコイルばね２２が圧縮され、ゆるやかに「Ｓ字状」に圧縮した状態でブラシホルダー２３に収納されている。この結果ブラシ２１は荷重Ｆｂで加圧され、整流子２５に接触している。
この時の複数の区間に区切ったばね定数をｋ３、ｋ４、ｋ５と仮定すると、総合ばね定数ｋｃは等価的に次式に表すことが出来る。
１／ｋｃ＝２／ｋ３＋２／ｋ４＋１／ｋ５
この様に小形直流モータ運転の初期からブラシの有効長さ分が磨耗するまでの間、コイルばねの総合ばね定数は連続的に変化し、「非線形ばね特性を得る方法」に述べられた様に、「非線形ばね特性を有するブラシ押圧ばね機構」が構成される。
【００１４】
図６に本発明の実施例におけるブラシ押圧用コイルばねのひずみと荷重の関係を測定した実測値を曲線Ｇに示す。
曲線Ｇは図１１の曲線Ｊと同じ様な傾向を示し、非線形バネ特性となっている。図２における荷重とたわみは図６のＰ１点で、荷重ＦａたわみＨａである。また図４における荷重とたわみは図６のＰ２点で、荷重ＦｂたわみＨｂである。
【００１５】
小形直流モータのブラシ圧力の最適値は、ブラシの材質、モータの大きさ、種類、用途など各種の条件により異なり、一概に特定する事は出来ないが、例えば一般産業用直流モータや直流発電機では１４０〜３５０ｇ／ｃｍ^２、家庭電化用及び小容量直流モータでは２００〜６００ｇ／ｃｍ^２、自動車用直流モータでは４００〜８００ｇ／ｃｍ^２程度のブラシ圧力が推奨されている。
本発明による小形直流モータは、家庭電化用直流モータで２００〜６００ｇ／ｃｍ^２が推奨値である。
【００１６】
図７の曲線Ｕは図２〜図５におけるブラシ圧力とブラシ磨耗量の関係を示したもので、本小形直流モータの図２に示される駆動初期においては、Ｔ１点でブラシ磨耗量は零ｍｍ、ブラシ圧力は６００ｇ／ｃｍ^２で、図４の駆動末期においてはＴ２点で、ブラシ磨耗量は８ｍｍで、ブラシ圧力は２３５ｇ／ｃｍ^２である事を示している。
水平線Ｒと水平線Ｓとの間が本発明になる小形直流モータのブラシ圧力の推奨値であるから、本機のブラシ圧力はこの推奨値の中に有り、しかもブラシ磨耗量４〜８ｍｍの間ではブラシ圧力の変化量も少なく、理想的な曲線を示している。
一方、曲線Ｖは一般的に広く用いられている線形コイルばねを用いた直流モータのブラシ磨耗量とブラシ圧力の関係を示した一例であるが、ほぼ直線的にブラシ圧力が低下している事がわかる。
【００１７】
図７において水平線Ｒと水平線Ｓの間のブラシ圧力が本直流モータとして望ましい推奨範囲であり、水平線Ｒを超えると荷重が大き過ぎて、ブラシの機械的磨耗範囲となる。
又水平線Ｓ以下の荷重では火花整流によりブラシ磨耗が多くなる電気的摩耗範囲となる。
本実施例の曲線Ｕのブラシ有効使用範囲は摩耗量０〜８ｍｍの範囲であり、ブラシ圧力の推奨範囲に入っている。しかも４ｍｍから８ｍｍまでの範囲では荷重の変化量も小さく理想的な曲線を示している。
一方従来品の線Ｖでは水平線Ｓより下回っており、火花整流の範囲にあり電気的摩耗範囲に入っている。
【００１８】
前述の様に、線形バネ特性を有する一つのバネを用いて、ブラシホルダー、ブラケット、ブラシを用いて「理想的な非線形バネ特性を有するブラシ押圧機構」を構成することにより、ブラシ寿命の長い直流モータを得ることが出来た。この事により家庭電化製品の長寿命化を実現すると共に、資源の有効活用に貢献する事が出来た。この結果本発明の有用性が検証された。
【００１９】
【発明の効果】
本発明になる「非線形ばね特性を有するブラシ押圧機構」を、ブラシタイプ小形直流モータのブラシ押圧用コイルばね機構に適用した結果、非線形ばね特性となり荷重変化量の少ないほぼ定荷重特性範囲が得られた。このため火花整流となる運転範囲が無くなり、長寿命のブラシタイプ直流モータが得られ、この「非線形ばね特性を有するブラシ押圧機構」の有用性が実証された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる小形直流モータの断面図
【図２】図１Ａ部拡大図でモータ運転初期におけるブラシ押圧機構。
【図３】図２の矢視Ｚ断面図
【図４】モータ運転末期におけるブラシ押圧機構
【図５】図４の矢視Ｘ断面図
【図６】たわみと荷重の実測値
【図７】ブラシ磨耗量とブラシ圧力
【図８】従来の小形直流モータの断面図
【図９】図９のＡ−Ａ’断面図
【図１０】ブラシ圧力とブラシ磨耗量の関係
【図１１】理想的なばね特性
【図１２】直列法による組み合わせばね
【図１３】非線形ばね特性
【符号の説明】
１ ケース
２ 永久磁石
３ 固定子組立
４ ブラケット
５ ブラシホルダー
６ ブラシ
７ コイルばね
８、９ モータ端子
１０ 回転軸
１１ 電機子鉄心
１２ 巻線
１３ 整流子
１４ 電機子
１５、１６ 軸受
２１ ブラシ
２２ コイルばね
２３ ブラシホルダー
２４ ブラケット
２５ 整流子
２６，２８，２９ 側板
２８ ブラケット平面部
３０ コイルばね受部
３１ コイルばね結合部
ｋｃ、ｋｄ 総合ばね定数
ｋ３、ｋ４、ｋ５、ｋ６、ｋ７、ｋ８ ばね定数
Ｂ１ 軸方向内面幅
Ｂ２ 回転方向内面幅
Ｆａ、Ｆｂ 荷重
Ｇ，Ｊ 曲線記号
Ｈａ、Ｈｂ たわみ点
Ｋ 総合ばね定数
Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３ ばね定数
Ｎ ブラシの長手方向記号
Ｐ１，Ｐ２ 荷重ーたわみ点
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４ コイルばね接触点
Ｒ，Ｓ 水平線記号
Ｓ１ コイルばねの外径寸法
Ｚ、Ｘ 矢視記号

Claims (2)

1. ３面の側板と一面のブラケット平面部と一面のコイルばね受部より構成されたブラシホルダーと、線形ばね特性を有するコイルばねと、コイルばね結合部を有するブラシとより構成されたブラシ押圧ばね機構において、
   ブラシホルダーの小形直流モータ回転方向内面幅は、コイルばねが自由に移動出来る様にコイルばねの外形寸法より僅かに大きく、この回転方向内面幅に直角方向の小形直流モータの軸方向内面幅は、コイルばねの外径寸法より充分大きくコイルばね外径寸法の１．５倍から２倍程度とし、ブラシホルダーの長さはばね自由長と同程度以下の任意長さとして、コイルばねの一方をコイルばね受部により押さえる事によりブラシにコイルばねの荷重を与え、コイルばねの加圧方向中心線を非線形に変形させ、非線形ばね特性を得る様に構成した事を特徴としたブラシ押圧ばね機構を備えたブラシタイプ小形直流モータ。
2. ブラシホルダーのモータ回転方向内面幅と、これに直角方向のモータ軸方向内面幅との比を任意に変えた事を特徴とする請求項１の非線形ばね特性を得る様に構成した事を特徴としたブラシ押圧ばね機構を備えたブラシタイプ小形直流モータ。

Images