JP4889560B2 - 刷子及び回転電機及び送風機及び電気掃除機 - Google Patents

Description

この発明は、刷子ホルダによって保持さればねによって付勢されて整流子へ圧接される回転電機用の刷子に関するものである。

従来の整流子モータ等の刷子は、刷子をばねなどの弾性体により整流子に圧接する構成にしている。
実開平５−２９２６７号公報

従来の整流子モータ等の刷子構造では、刷子の磨耗によって刷子の長さが変化することにより、刷子を整流子に押付ける力が変化してしまうという課題があった。

この発明は、上記のよう課題を解決するためになされたもので、刷子の磨耗によって刷子の長さが変化しても、整流子への刷子の押付力が小さくならないようにすることができる刷子及び回転電機及び送風機及び電気掃除機を提供することを目的とする。

この発明に係る刷子は、回転電機に用いられ、ばねと共に刷子ホルダによって保持され、ばねによって付勢されて整流子に圧接される刷子において、刷子の回転電機の軸方向の厚さ又は整流子の周方向の幅の少なくともいずれかを、整流子側からその反対側に向かって小さくし、ばねの付勢する方向と直交する方向に、刷子を刷子ホルダに押付ける弾性部材を備えたことを特徴とする。

この発明に係る刷子は、刷子が摩耗して長さが変わっても、刷子に作用する整流子への押付力を一定に保つようにすることができる。また、最大押付力を小さくできるという効果がある。また、刷子の摩擦力を小さくできるので摩擦による損失低減ができると共に刷子寿命を延ばすことができる。

実施の形態１．
図１乃至図３は比較のために示す従来の整流子モータを示す図で、図１は出力軸側から見た部分正面図、図２は部分平面図、図３は刷子１の整流子３への押付力の説明図である。

図１、図２に示すように、刷子１は、刷子ホルダ２に摺動可能に保持され、整流子３との摺接面１ａとは反対側の端面１ｂにばね４などの弾性部材で付勢され、整流子３に圧接されている。

図３（ａ）に示すように、刷子１は、弾性部材であるばね４によって、整流子３へ押付力Ｆ１で圧接されている。刷子１が整流子３との摩擦により磨耗し短くなると、図３（ｂ）に示すように、弾性部材であるばね４が伸びるため、押付力Ｆ２が小さくなる（Ｆ１＞Ｆ２）。

回転電機の特性を確保するためには、刷子１の整流子３への所定の押付力が必要である。刷子１の磨耗によって刷子１が短くなると、ばね４が伸びて刷子１の整流子３への押付力が低下する。その押付力が、図３（ｂ）のＦ２に低下しても、所定の押付力を確保するために、弾性部材であるばね４の長さやばね定数などにより、押付力Ｆ１を予め大きく設定している。初期の押付力Ｆ１を大きく設定する必要があるため、摩擦が大きくなり、回転電機の特性劣化や刷子１の寿命が短くなるという課題があった。

図４乃至図７は実施の形態１を示す図で、図４は刷子構造を示す図（（ａ）は刷子１が摩耗していない状態、（ｂ）は刷子１が摩耗している状態）、図５、図６は刷子１の斜視図、図７は刷子１の移動距離と刷子押付力との関係を示す図（（ａ）は従来の刷子構造、（ｂ）は本実施の形態１）である。

図４に示すように、刷子１は金属製の刷子ホルダ２内に摺動可能に保持され、整流子３との摺接面１ａとは反対側の端面１ｂがばね４などの弾性部材で付勢されて整流子３に圧接されている。刷子ホルダ２の一部を切り欠き、内側に折り曲げるなどにより板ばね状にする。この板ばね状の弾性部材５により、刷子１を刷子ホルダ２の弾性部材５の反対側の側面２ａに押付ける構造にしている。

刷子１に流れる電流は、整流子３との摺接面１ａを通り、整流子３に接続されているロータ（図示せず）の巻線に流れる。さらに、電流は、反対側の整流子３から刷子１と電気的に反対側の刷子１（図示せず）へと流れる構造になっている。

図５に示す例では、刷子１の厚さ（回転電機の軸方向）は、整流子３との摺接面１ａ側から反対側の端面１ｃに向かい徐々に薄くなっている。ここで、αは端面１ｃにおける刷子１の厚さの変化量である。

図６に示す例では、刷子１の幅（整流子３の周方向）は、整流子３との摺接面１ａ側から反対側の端面１ｄに向かい徐々に狭くしている。ここで、αは端面１ｄにおける刷子１の幅の変化量である。

次に動作について説明する。
このように構成された回転電機用の刷子１においては、図４（ａ）に示すように、ばね４などの弾性部材により、刷子１を整流子３に押付力Ｆ６で押付けようとする。一方、刷子１が弾性部材５により刷子ホルダ２の側面２ａに押し付けられることにより、刷子１と刷子ホルダ２の間に摩擦力Ｆ３が働く。摩擦力Ｆ３の方向は、押付力Ｆ６の方向と逆方向となるので、刷子１に作用する整流子３への押付力Ｆ５は、
Ｆ５＝Ｆ６−Ｆ３ （１）
となる。

刷子１が整流子３との摩擦により摺接面１ａが摩耗して刷子１の長さが短くなると、弾性部材であるばね４が伸びる。そのため、刷子１を押付けようとする力Ｆ７は、図４（ａ）のＦ６よりも小さくなる。即ち、
Ｆ７＜Ｆ６ （２）

また、刷子１が短くなるにつれて刷子１の厚さ（回転電機の軸方向）が薄くなるので、板ばねなどの弾性部材５による刷子１を刷子ホルダの側面２ａに押付ける力が小さくなるため摩擦力Ｆ４も、図４（ａ）のＦ３よりも小さくなる。即ち、
Ｆ４＜Ｆ３ （３）

その結果、
Ｆ７−Ｆ４≒Ｆ６−Ｆ３（＝Ｆ５） （４）
となり、刷子１の整流子３への押付力は、刷子１が短くなる前とほぼ同等の押付力Ｆ５を確保することができる。

以上のように、刷子１の厚さ（回転電機の軸方向）又は刷子１の幅（整流子３の周方向）を整流子３と反対側の端面１ｃ又は端面１ｄに向かって徐々に小さくし、板ばねのような弾性部材５により従来のばね４の動作と反対の動作を行なうようにしている。そのため、刷子１が摩耗して長さが変わっても、刷子１に作用する整流子３への押付力を一定に保つようにすることができる。

刷子１の厚さや幅の変化量αは、刷子１の大きさや長さ、ばね４の特性に合わせ刷子１への押付力が一定になるような構成にする。

このような構成にすることにより、従来のように刷子寿命末期における刷子押付力を所定の値に保つために、刷子初期状態での刷子１の押付力を大きくする必要がない。そのため、刷子１の摺動による損失を低く抑えることができ、回転電機の特性を向上することができる。

また、刷子１の初期状態から刷子寿命末期までの刷子押付力を低く抑えることができるため、刷子磨耗が少なくなり、刷子寿命を延ばすことができる。

また、従来は刷子１と整流子３との摺接により刷子１を加振するため、刷子１と刷子ホルダ２との隙間で振動し、騒音を発生していた。本実施の形態では、弾性部材５により刷子１を刷子ホルダ２に押付けるため、整流子３との摺接による加振力での振動を抑えることができる。

また、弾性部材５を板ばねのような構成で説明したが、ばね４のようなスプリングのような構成でも同様の効果を奏する。

また、刷子１や弾性部材５は、従来の刷子構成とほぼ同じ構成でできるため刷子構成以外の回転電機部分を変えることなく実施することができる。

実施の形態２．
図８、図９は実施の形態２を示す図で、刷子１の斜視図である。

実施の形態１では、刷子１の厚さや幅を徐々に変化させることにより、弾性部材５による押付力を徐々に小さくし、整流子３への押付力を一定に保つように構成した。それに対し、本実施の形態では、図８、図９に示すように、刷子１の側面の一部の厚さや幅を徐々に変化させる構成にする。

図８に示す例では、刷子１の厚さ（回転電機の軸方向）が整流子３の周方向に部分的に、整流子３との摺接面１ａ側から反対側の端面に向かい徐々に薄くなる溝１ｅを設ける。ここで、αは摺接面１ａ側の反対側の端面における刷子１の厚さの変化量（溝１ｅの深さ）である。

図９に示す例では、刷子１の幅（整流子３の周方向）を回転電機の軸方向に部分的に、整流子３との摺接面１ａ側から反対側の端面に向かい徐々に薄くなる溝１ｆを設ける。ここで、αは摺接面１ａ側の反対側の端面における刷子１の幅の変化量（溝１ｆの深さ）である。

刷子１の厚さや幅が徐々に変化させる部分である溝１ｅ又は溝１ｆに、弾性部材５を押付けるような構成とすれば、整流子との摩擦による摩耗により刷子１が短くなっても、刷子１と整流子３との接触面積は実施の形態１に比べて大きくなる。接触面積が小さくなりすぎると刷子１の電流密度が増加して、刷子１の摩耗が早くなる傾向があるが、接触面積が大きくなるため、影響度が小さい。

実施の形態３．
図１０乃至図１２は実施の形態３を示す図で、図１０は刷子１の斜視図、図１１は刷子１の移動距離と刷子押付力との関係を示す図、図１２は変形例の刷子１の斜視図である。

実施の形態１、２では、刷子１の厚さや幅を徐々に変化させることにより弾性部材５による押付力を徐々に小さくし、整流子３への押付力を一定に保つような構成した。それに対し、本実施の形態では、図１０、図１２に示すように、任意の位置で段差を設け、刷子１の厚さや幅をβ分変化させるような構成とする。

図１０に示す例では、刷子１の整流子３軸方向の一つの面の反整流子３側に、段差部１ｇを形成する。段差部１ｇの段差は、βである。

図１２に示す例では、刷子１の整流子３周方向の一つの面の反整流子３側に、段差部１ｈを形成する。段差部１ｈの段差は、βである。

図１１に示すように、刷子１と整流子３との摩擦による摩耗により、刷子１の長さが徐々に短くなることにより、刷子１に作用する整流子３への押付力は小さくなる（Ｆ６からＦ７へ変化する）。段差部１ｇ又は段差部１ｈにおいて、刷子１に作用する弾性部材５による刷子ホルダ２への押付力が小さくなる（Ｆ３からＦ４へ変化する）。そのため、刷子１に作用する整流子３への押付力Ｆ５は、段差部１ｇ又は段差部１ｈが存在しない場合に比べ大きくなる（図１１の破線が、段差部１ｇ又は段差部１ｈが存在しない場合の刷子１に作用する整流子３への押付力Ｆ５である）。これにより、従来の刷子１に比べて、刷子１の長さの変化に対する刷子１に作用する整流子３への押付力の変化を小さくすることができる。

また、段差の数を増すことにより、刷子１の長さが変化するときの整流子３への押付力の変化幅を小さくすることができる。

また、段差部１ｇ又は段差部１ｈへの移行部を実施の形態２のように徐々に変化させても同様の効果を奏する。

実施の形態４．
図１３、図１４は実施の形態４を示す図で、刷子１の斜視図である。

実施の形態３では、刷子１の側面に段差部１ｇ又は段差部１ｈを設け、弾性部材５による押付力を変化させて、刷子１に作用する整流子３への押付力の変化量を小さくするように構成した。本実施の形態では、図１３、図１４に示すように刷子１の側面の一部に溝を設ける構成にする。

図１３に示す例では、刷子１の回転電機の軸方向の一つの面の反整流子３側で、整流子３周方向の一部に溝１ｉを形成する。溝１ｉの深さ（回転電機の軸方向）は、βである。

図１４に示す例では、刷子１の整流子３周方向の一つの面の反整流子３側で、整流子３軸方向の一部に溝１ｊを形成する。溝１ｊの深さ（整流子３周方向）は、βである。

溝１ｉ又は溝１ｊの部分に、刷子１を弾性部材５で押付けるような構成とすれば、刷子１と整流子３との摩擦による摩耗により刷子１が短くなっても、刷子１と整流子３との接触面積は実施の形態３に比べて大きくなるため、刷子１と整流子３との接触面積低減による影響が小さくなる。

実施の形態５．
図１５、図１６は実施の形態５を示す図で、刷子構造を示す図である。

実施の形態１乃至４では、刷子１の形状を変化させ、弾性部材５により刷子１を刷子ホルダ２に押付けることによる摩擦力を利用するように構成した。本実施の形態では、図１５、１６に示すように、刷子１の整流子３との摺接面１ａとは反対の端面１ｂに、板ばねのような弾性部材７を別部品として設ける。弾性部材７で刷子ホルダ２を押付けるような構成にする。

図１５に示す例では、刷子ホルダ２の整流子３の周方向の一つの面と弾性部材７とが当接する。

図１６に示す例では、刷子ホルダ２の回転電機の軸方向の一つの面と弾性部材７とが当接する。

また、刷子ホルダ２は、弾性部材７と接する方向の長さ（図１５では整流子３の周方向、図１６では回転電機の軸方向）を、整流子３方向に向かって徐々に大きくする。

弾性部材７と刷子ホルダ２との接触による摩擦力を利用するため、刷子１と刷子ホルダ２の摩擦により刷子１が削られる。従って、刷子１の大きさが変わることはない。

また、刷子ホルダ２の弾性部材７と接する方向の長さ（図１５では整流子３の周方向、図１６では回転電機の軸方向）を、整流子３方向に向かって徐々に大きくしている。そのため、実施の形態１乃至４と同様、刷子１の長さが短くなるにつれて、弾性部材７の刷子ホルダ２への押付力が小さくなる。従って、刷子１を整流子３に押付ける力を一定に保つことができる。

また、回転電機の特性に影響を及ぼす刷子１と独立して、弾性部材７の材料を自由に選定することができるため、安定した弾性部材７と刷子ホルダ２との摩擦力を得ることができる。

実施の形態６．
図１７は実施の形態６を示す図で、刷子１の斜視図である。

実施の形態５では、刷子ホルダ２の内側の高さや幅を整流子３方向に向かって徐々に変化させることにより、弾性部材７による摩擦力を徐々に小さくするように構成した。本実施の形態では、図１７に示すように、刷子ホルダ２の回転電機の軸方向の一つの面の一部を整流子３方向に向かって徐々に変化させる構成にする。

図１７に示すように、刷子ホルダ２の回転電機の軸方向の一つの面の一部が整流子３方向に向かって徐々に深くなる（回転電機の軸方向に）溝２ｃを設ける。この溝２ｃに、弾性部材７で押付けるような構成とする。

このような構成にすれば、実施の形態１乃至５と同様、刷子１の長さが短くなるにつれて、弾性部材５又は弾性部材７の刷子ホルダ２への押付力が小さくなる。従って、刷子１を整流子３に押付ける力を一定に保つことができる。

また、刷子１と整流子３との摺接による加振力で刷子１が振動しても、刷子１と刷子ホルダ２の内側の間隔（溝２ｃ以外の部分の）は、従来の回転電機と同じとなるため、刷子１の振動に関しては、従来と同等となる。

実施の形態７．
図１８、図１９は実施の形態７を示す図で、刷子構造を示す図である。

実施の形態５、６では、刷子ホルダ２の内側の高さや幅やその一部を徐々に変化させることにより、弾性部材７による摩擦力を徐々に小さくするように構成した。本実施の形態では、図１８に示すように、刷子ホルダ２の整流子３側で、整流子３の周方向の一つの面に段差部２ｂを設ける。

整流子３との摩擦により刷子１の長さが徐々に短くなることにより整流子３への押付力が小さくなるが、段差部２ｂで弾性部材７による刷子ホルダ２への押付力が小さくなるため整流子３への押付力を大きくなる。これにより従来の刷子構造に比べて、刷子１の長さの変化に対する整流子３への押付力の変化を小さくすることができる。

尚、図示はしないが、刷子ホルダ２の回転電機の軸方向の一つの面に、段差部２ｂを設けてもよい。

また、段差部２ｂの数を増すことにより、刷子１の長さが変化するときの整流子３への押付力の変化幅を小さくすることができる。

また、実施の形態５、６にように徐々に変化するような構成にしなくても良く、段差部２ｂの管理だけを行なえばよいため製造しやすくなる。

また、図１９のように段差部２ｂを急激に変化させないようにすることにより、段差部２ｂでの押付力の変化が急激に起こらなくなるため特性が安定すると共に金型も作りやすくなる。

実施の形態８．
図２０乃至図２２は実施の形態８を示す図で、刷子構造を示す図（（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図）である。

実施の形態１乃至４では、刷子１の厚さや幅を変化させることにより弾性部材５による押付力を徐々に（又は段階的に）小さくし、整流子３への押付力を一定に保つように構成した。本実施の形態では、図２０のように刷子１の一面に、整流子３側から反整流子３側へ延びる凸状の突起８を設け、弾性部材９により突起８を挟み込むような構成とする。突起８の幅（整流子３の周方向）は、整流子３側から反整流子３側に向かって徐々に小さくなる形状とする。

このように構成すれば、刷子１が摩耗して短くなるにつれ、刷子１の突起８の幅が小さくなる（図２１参照）。このため、刷子１が摩耗して短くなるにつれ、弾性部材９の挟み込む力が小さくなるため刷子１の突起８と弾性部材９との摩擦力が小さくなる。従って、ばね４による押付力と弾性部材９による摩擦力の差は、刷子１の初期状態と摩耗後とで変化が少ない。

また、これにより刷子１の初期の押付力を低く抑えることができ、刷子１の摺動損を低く抑えることができる。

また、刷子１の圧力を低く抑えることができるため、刷子１の磨耗が少なくなり、刷子１の寿命を延ばすことができる。

また、刷子１の長さが変化しても整流子３との接触する面積は変化しないため、刷子１部分の電気特性を安定させることができる。

また、刷子１の突起８は回転電機の出力側（図示はしないが、電機子の反対側）に設けるような図になっているが、刷子１のどの側面を利用しても同様の効果を奏す。

また、図２２に示すように、刷子１の突起８の幅を、段階的に反整流子側に小さくしてもよい。

また、図２１、図２２のように刷子１の寿命と判断される長さまで設けるような構成にすることで、刷子１の材料を削減することができる。

実施の形態１乃至８のいずれかの刷子１を回転電機に用いることにより、寿命が長く、特性が安定した回転電機を得ることができる。回転電機は、例えば、整流子モータである。

上記回転電機を、送風機に用いることにより、寿命が長く、特性が安定した送風機を得ることができる。

上記回転電機を、電気掃除機に用いることにより、寿命が長く、特性が安定した電気掃除機を得ることができる。

比較のために示す従来の整流子モータを示す図で、出力軸側から見た部分正面図。 比較のために示す従来の整流子モータを示す図で、部分平面図。 比較のために示す従来の整流子モータを示す図で、刷子１の整流子３への押付力の説明図。 実施の形態１を示す図で、刷子構造を示す図（（ａ）は刷子１が摩耗していない状態、（ｂ）は刷子１が摩耗している状態）。 実施の形態１を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態１を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態１を示す図で、刷子１の移動距離と刷子押付力との関係を示す図（（ａ）は従来の刷子構造、（ｂ）は本実施の形態１）。 実施の形態２を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態２を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態３を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態３を示す図で、刷子１の移動距離と刷子押付力との関係を示す図。 実施の形態３を示す図で、変形例の刷子１の斜視図。 実施の形態４を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態４を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態５を示す図で、刷子構造を示す図。 実施の形態５を示す図で、刷子構造を示す図。 実施の形態６を示す図で、刷子１の斜視図。 実施の形態７を示す図で、刷子構造を示す図。 実施の形態７を示す図で、刷子構造を示す図。 実施の形態８を示す図で、刷子構造を示す図（（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図）。 実施の形態８を示す図で、刷子構造を示す図（（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図）。 実施の形態８を示す図で、刷子構造を示す図（（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図）。

符号の説明

１ 刷子、１ａ 摺接面、１ｂ 端面、１ｃ 端面、１ｄ 端面、１ｅ 溝、１ｆ 溝、１ｇ 段差部、１ｈ 段差部、１ｉ 溝、１ｊ 溝、２ 刷子ホルダ、２ａ 側面、２ｂ 段差部、２ｃ 溝、３ 整流子、４ ばね、５ 弾性部材、７ 弾性部材、８ 突起、９ 弾性部材。

Claims (7)

1. 整流子を有する回転電機に用いられ、ばねと共に刷子ホルダによって保持され、前記ばねによって付勢されて前記整流子に圧接される刷子において、
   前記整流子に圧接される端面からその反対側の端面に向かって深さが深くなる溝が一側面に設けられ、
   前記溝を押圧する弾性部材により、前記ばねの付勢する方向と直交する方向に、前記刷子ホルダに押付けられることを特徴とする刷子。
2. 前記溝は、前記整流子に圧接される端面からその反対側の端面に向かって深さが徐々に深くなるように設けられたことを特徴する請求項１に記載の刷子。
3. 前記溝は、前記整流子に圧接される端面からその反対側の端面に向かって深さが段階的に深くなるように設けられたことを特徴する請求項１に記載の刷子。
4. 前記弾性部材は、前記刷子ホルダの一部を切り欠き、内側に折り曲げて板ばね状にすることにより構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の刷子。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の刷子と、前記刷子ホルダとを備えたことを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機を搭載したことを特徴とする送風機。
7. 請求項５に記載の回転電機を搭載したことを特徴とする電気掃除機。

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