JP5533930B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、フックを有する整流子を備えた回転電機に関する。

従来の回転電機においては、フック部の巻線と接する側に複数の突起を形成して、ヒュージング時に突起部が巻線のコーティングを突き破って整流子片と巻線が電気的に接続されるようにしたものがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−２５７７３６号公報

従来の回転電機では、フック部の巻線（コイル）と接する側に複数の突起を形成するため、突起の形成が容易ではなく、また、コイルの線径が大きくなったり、フック部近傍の整流子片の体積が増加した場合などでは、コイルやフック部の熱容量が増加し、ヒュージング時のフック部近傍の加熱が不足して、ヒュージングが不十分となり、コイルと整流子片との電気的接続が不安定となって、モータ性能が悪化するおそれがあった。
これを回避するために、ヒュージング時の通電量や加圧を大きくすると、コイルの変形が過大となり、コイルが断線するなどのおそれがあった。
また、ヒュージング時のフック部近傍の加熱が不足すると、フック部がコイルと接するコイル側の面と、それと対向する整流子片との密着強度が不充分となって、モータ回転時の遠心力などにより、フック部が整流子片の表面から浮き上って、コイルと整流子片との電気的接続が悪化して、モータ性能が低下するなどのおそれがあった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、コイルの線径が大きくなったり、フック近傍の整流子片の体積が増加した場合においても、ヒュージング時のフック近傍の加熱が確保できて、コイルと整流子片との電気的接続が安定するとともに、コイルの断線を防止できる、性能の良い回転電機を得ることを目的としている。

この発明に係る回転電機においては、軸方向の一端側にはコイルが接続されるフックと、他端側にはブラシが摺接する摺接部とが一体形成された整流子片を有し、該整流子片を周方向に複数個配設して構成された整流子と、フックとヒュージングによって電気的に接続されるコイルとを備えた回転電機であって、フックの先端部と摺接部との軸方向の間であって、前記先端部の近傍には、前記整流子片に除肉部を備えており、該除肉部は、前記整流子片の外周表面を円環状に窪ませて設けられた溝部である。

この発明によれば、ヒュージング時のフック近傍の加熱が確保できて、コイルと整流子片との電気的接続が安定するとともに、コイルの断線を防止できる、性能の良い回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る回転電機の断面図である。 図１の整流子付近の要部説明図である。 図２のヒュージング前の説明図である。 均圧線の接続関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係る整流子付近の要部説明図である。 この発明の実施の形態３に係る整流子付近の要部説明図である。 この発明の実施の形態４に係る整流子付近の要部説明図である。 この発明の参考例１に係る整流子片の要部説明図である。

実施の形態１．
実施の形態１を図１〜図４に基づいて説明する。なお、以下の各図において同一または相当部分には同一符号を付して説明する。
図１は、回転電機をなすブラシ付モータの断面図であって、電動パワーステアリング装置用モータなどに用いられるものである。図２は、図１の整流子付近の要部説明図、図３は、図２のヒュージング前の説明図、図４は、均圧線の接続関係を示す説明図である。
図１において、有底円筒状のヨーク１０の内周面には、４個の永久磁石１１が、樹脂製のホルダ１２とともに固定されている。電機子２０は、シャフト２１に固定された整流子２２およびコア２４を備えており、コア２４に備えた２２個のスロットには、重巻で巻回されたコイル（巻線）２３を有し、コイル２３は整流子２２（整流子片４０）に接続されている。整流子２２の一端側（コア２４側）には、均圧線５０が配設されており、均圧線５０は整流子２２（整流子片４０）に接続されている。
ヨーク１０に嵌合するハウジング３０には、ブラシホルダが固定されており、ブラシホルダに保持された４個のブラシ３３は、スプリング３２によって付勢されて、整流子２２の外周面に対して摺接可能に配設されている。ブラシ３３は、外部リード線３４を介して電源に接続されている。シャフト２１の両端付近には、ベアリング１３およびベアリング３１を備え、電機子２０は、永久磁石１１の内周面と空隙を介して回転自在に支持されている。このように、ブラシ付モータ１（回転電機）は構成されている。

整流子２２は、複数の整流子片４０をベース樹脂４１で樹脂成形して一体化したモールド整流子であって、周方向に２２個配設された整流子片４０と、この各整流子片４０を保持（固定）するとともに各整流子片４０の間を絶縁するベース樹脂４１によって一体構成されている。
整流子片４０は、軸方向の一端側（コア２４側）に、コイル２３や均圧線５０が接続されるフック４２と、他端側にブラシ３３が摺接する摺接部４３とを一体に有した整流子片４０で構成されている。整流子片４０は、銅合金材からなり、初期工程では冷間鍛造を用いて形成されている。
摺接部４３は、ブラシ３３が整流子片４０の外周表面を摺接する軸方向の範囲（ブラシの幅寸法）である。摺接部４３は、整流子片４０の外周表面を、旋盤加工機などによる切削加工を用いて形成される。
フック４２を介して、コイル２３や均圧線５０は、整流子片４０に電気的に接続されている。

図２のように、ヒュージング後のフック４２の先端部４２ａと、摺接部４３との軸方向の間であって、先端部４２ａの近傍には、整流子片４０の外周側に、外周側から形成された、整流子片４０の断面積を減少させる除肉部４６を備えている。
この実施の形態１においては、除肉部４６は、整流子片４０の外周表面を径方向内側に円環状に窪ませて設けられた溝部４４である。
溝部４４は、モールド整流子２２に対して、旋盤加工機などによる切削加工によって形成されており、外周側から内径方向に窪んだ凹状に形成されている。溝部４４は、摺接部４３の粗加工時に同時に形成され、溝部４４には、切削加工のバイト刃による、微細な凹凸状の加工痕を有している。

フック４２の先端部４２ａのコイル側の面４２ｂと対向する整流子片４０の外径寸法Ｄは、摺接部４３における整流子片４０の外径寸法ｄよりも直径が大きく構成されている。
整流子片４０の内径側（ベース樹脂４１との境界部分）寸法は、軸方向に亘って略同一の寸法で、直線状に形成されている。
外径寸法Ｄを外径寸法ｄよりも大きく構成することによって、外径寸法Ｄの部分（フック部近傍）の整流子片４０の体積が増加するため、該部における整流子片４０の熱容量が増加している。

なお、外径寸法Ｄを、外径寸法ｄよりも大きく構成することによって、フック４２の付根部分の円周方向長さが増加し、周方向に隣接するフック４２の間の隙間寸法を増加できるため、コイル２３の線径の増加（太線化）によるモータ出力の増加が可能となり、線径を増加した場合にも、隣接するコイル２３の間の隙間寸法が確保できて、隣接するコイル２３間の短絡故障などを防止できる。
しかも、外径寸法ｄは、外径寸法Ｄよりも小さい構成であるため、ブラシ３３の部分の径方向寸法の大型化（モータが大型化）が抑制され、且つ、ブラシ３３の摩擦による損失（ロストルク）の増加も抑制できる。
外径寸法Ｄを増加した場合でも、外径寸法ｄを変更しない場合には、ブラシ２３付近の部品やハウジング３０付近の部品などの部品の流用も可能とできる。
特に、電動パワーステアリング装置用モータにおいては、ロストルクが増加するとハンドル戻りが悪化するため、外径寸法ｄが増加しない構成とすることは、電動パワーステアリング装置用モータに好適とできる。

図２のように、溝部４４は、大径部（外径寸法Ｄ）と小径部（外径寸法ｄ）の軸方向の境界の部分（段差部分）に形成されている。図２のように、溝部４４の左側面（コア２４側）は、溝部４４の内径側の底面から略直角に形成されて、大径部に繋がっている。
溝部４４の左側面は、フック４２の先端部４２ａのブラシ３３側の端面と、ほぼ同一の軸方向の位置に形成されている。
溝部４４の軸方向右側面（ブラシ側）には、テーパー部４４ａを有しており、テーパー部４４ａは、溝部４４の切削加工時に同時に形成される。
モールド整流子２２のフック４２の内周側の整流子片４０には、軸方向の一端側（コア２４側）に、モールド整流子２２に対して、旋盤加工機などによる切削加工によって軸方向に円環状に窪んで形成された減肉部４５を備えている。減肉部４５には、切削加工のバイト刃による、微細な凹凸状の加工痕を有している。
減肉部４５は、整流子片４０から、その内周側のベース樹脂４１の範囲にまで亘って、切削加工で形成されているため、減肉部４５の内周側の面はベース樹脂４１（絶縁物）であり、減肉部４５の内周側の面には、整流子片４０（導電物）が残らないように形成されている。

図３は、コイル２３および均圧線５０が、モールド整流子２２に備えた爪状のフック４２に係止された状態を示すもので、ヒュージング前の状態を示す説明図である。
フック４２のコイル側の面４２ｂと対向する整流子片４０には、コイル２３や均圧線５０がヒュージング後に収納されるコイル溝４７を備えている。
除肉部４６（溝部４４）は、コイル溝４７と軸方向の別の個所に形成されている。
モールド整流子２２には、コイル溝４７、除肉部４６（溝部４４）、減肉部４５が、モールド整流子２２の単体状態において、予め形成されている。
図３におけるＡおよびＢは、ヒュージングのための電極が配置される位置の例を示すもので、フック４２の先端部４２ａ付近と、摺接部４３付近に電極が配置される。
図３のように配置された電極によって、先端部４２ａ付近と摺接部４３付近との間に大きな電流を通電するとともに、先端部４２ａ付近は、電極によって軸心方向（シャフト２１方向）に加圧されて、ヒュージングが行なわれる。
通電による発熱（加熱）と加圧によって、図２のように、フック４２は折曲され、コイル２３や均圧線５０は、その絶縁被膜が除去されるとともに変形して、コイル溝４７とフック４２のコイル側の面４２ｂとの間に密着（熱かしめ）して、コイル２３や均圧線５０は、整流子片４０に電気的に接続される。
このとき、フック４２の先端部４２ａ付近のコイル側の面４２ｂと、それと対向する整流子片４０（外径寸法Ｄ）とは、上記の発熱（加熱）と加圧によって、両者は密着した状態となる。

図４は、均圧線５０の接続関係を示す説明図であって、２２個の整流子片４０（２２個のフック４２）の内、図４に示すように、径方向に対向する１番と１２番の整流子片４０（フック４２）の間を、均圧線５０によって電気的に接続していることを示している。
同様に、２番と１３番、３番と１４番、・・のように、径方向に対向する整流子片４０（フック４２）の間が接続されている。このように、同電位であるべき整流子片４０同士を均圧線５０で接続することによって、ブラシ３３に流れる循環電流を防止することができるなど、性能の良いブラシ付モータ１とすることができる。

このように構成されたブラシ付モータ１の動作について説明する。ブラシ付モータ１に備えた外部リード線３４が電源（駆動装置）に接続されており、外部リード線３４に接続されたブラシ３３が摺接する整流子片４０を介して、コイル２３が通電される。コイル２３に通電された電機子２０と永久磁石１１との電磁作用によって、シャフト２１が回転する。この回転力によって、車両のステアリングの操舵力を補助することができる。
電動パワーステアリング装置用モータ１においては、近年の省エネ指向によって、排気量の大きい車両への搭載が増加しており、より出力の大きいモータが求められている。
モータの出力を増加させるために、線径の太いコイル２３を適用した場合においても、コイル２３と整流子片４０との電気的接続が安定した、小型、安価で、性能の良いモータが求められていた。

このように実施の形態１は、軸方向の一端側にはコイル２３が接続されるフック４２と、他端側にはブラシ３３が摺接する摺接部４３とが一体形成された整流子片４０を有し、整流子片４０を周方向に複数個配設して構成された整流子２２と、フック４２（整流子片４０）とヒュージングによって電気的に接続されるコイル２３とを備えた回転電機であって、フック４２の先端部４２ａと摺接部４３との軸方向の間であって、先端部４２ａの近傍には、整流子片４０に除肉部４６を備えているので、コイル２３の線径が大きくなったり、フック４２近傍の整流子片４０の体積が大きくなった場合においても、フック４２近傍の整流子片４０の熱容量を低減することができて、ヒュージング時のフック４２近傍の加熱（発熱）が確保でき、コイル２３と整流子片４０との電気的接続が安定するとともに、コイル２３の断線を防止できる、性能の良いブラシ付モータ１（回転電機）を得ることができる。
除肉部４６の大きさを調整することで、熱容量の調整が可能であり、コイル２３の線径変更時にも、整流子２２の母体が流用できて部品点数の増加が抑制され、また、ヒュージング条件の設定自由度が増加して、接続信頼性の向上を図ることができる。
フック４２近傍の整流子片４０の体積が大きい整流子２２に変更された場合にも、除肉部４６の大きさを調整することで、熱容量の調整が可能であり、ヒュージング条件の設定自由度が増加して、接続信頼性の向上を図ることができる。
先端部４２ａの近傍に除肉部４６を設けたので、ヒュージング部の整流子片４０の熱容量を効果的に調整することができ、しかも、除肉部４６が小型化できて、ブラシ付モータ１の軸方向長さの増加を抑制できる。
フック４２の先端部４２ａ付近のコイル側の面４２ｂと、それと対向する整流子片４０とは、強固に密着した状態とできる。

除肉部４６は、整流子片４０の外周表面に設けた溝部４４であるので、形成が容易で、摺接部４３の加工時に、溝部４４の形成が可能となり、安価に溝部４４を形成できる。
溝部４４の大きさを調整することで、熱容量の調整が可能であり、上記の除肉部４６の場合と同様の効果を得ることができる。

整流子２２は、各整流子片４０を保持するとともに各整流子片４０間を絶縁するベース樹脂４１を有したモールド整流子２２であって、モールド整流子２２に対して、切削加工で形成された溝部４４を備えているので、ベース樹脂４１で整流子片４０を予め一体化したモールド整流子２２に対して溝部４４が形成され、溝部４４の形成後に樹脂成形を行なう必要がないため、樹脂成形による樹脂の付着や、付着した樹脂の脱落などが生じず、生産性や信頼性が向上する。
溝部４４は、摺接部４３の切削加工時に、溝部４４の形成も可能となり、形成が容易で、安価に形成できる。

フック４２の先端部４２ａにおける整流子片４０の外径寸法Ｄは、摺接部４３における整流子片４０の外径寸法ｄよりも大きく形成されているので、ヒュージング部の整流子片４０の円周方向の長さが増加し、周方向に隣接するフック４２の間の隙間寸法が増加するため、コイル２３の線径の増加（太線化）によるモータ出力増加が可能となり、線径を増加した場合にも、隣接するコイル２３の間の隙間寸法が確保できて、コイル２３間の短絡故障を防止でき、信頼性が向上する。外径寸法Ｄを外径寸法ｄよりも大きく形成した場合には、上記の除肉部４６（溝部４４）の効果を、より効果的に発揮することができる。

溝部４４は、大径部Ｄと小径部ｄの軸方向の境界に形成されているので、ヒュージング部の整流子片４０の熱容量を効果的に調整することができ、しかも、溝部４４の形成が容易で、ブラシ付モータ１の軸方向長さの増加も抑制することができる。
フック４２の先端部４２ａ付近のコイル側の面４２ｂと、それと対向する整流子片４０とは、強固に密着した状態とできる。

溝部４４の軸方向側面には、テーパー部４４ａを有しているので、容易に溝部４４を形成できる。摺接部４３の切削加工時に溝部４４も形成することができ、同一のバイト刃で加工できて生産性が向上する。

整流子２２は、各整流子片４０を保持するとともに各整流子片４０間を絶縁するベース樹脂４１を有したモールド整流子２２であって、モールド整流子２２のフック４２の内周側の整流子片４０には、軸方向の一端側に切削加工で減肉した減肉部４５を備えているので、除肉部４６や溝部４４の効果を更に効果的に達成することができ、しかも、コイル２３の線径が大きくなったり、フック４２近傍の整流子片４０の体積が大きくなった場合にも、熱容量の調整自由度を拡大することができて、コイル２３と整流子片４０との電気的接続が安定するとともに、コイル２３の断線も防止できる。
フック４２の先端部４２ａ付近のコイル側の面４２ｂと、それと対向する整流子片４０とは、より強固に密着した状態とできる。

減肉部４５は、整流子片４０から、その内周側のベース樹脂４１の範囲に亘って形成されているので、減肉部４５の内周側には、導電物である整流子片４０の薄肉部分がなく、薄肉部分の脱落による短絡や回転子の回転不良などが生じず、より信頼性が向上する。

フック４２とヒュージングによって電気的に接続される均圧線５０を備えているので、
ブラシ３３に流れる循環電流を防止することができるとともに、均圧線５０の追加によって熱容量が増加した場合においても、コイル２３と均圧線５０と整流子片４０との電気的接続が安定するとともに、コイル２３や均圧線５０の断線を防止することができる。

実施の形態２．
実施の形態２を図５に基づいて説明する。図５は、整流子付近の要部説明図であり、実施の形態２は、実施の形態１に対して、主に下記の点が異なっている。
除肉部４６である溝部４４の大きさは、整流子片４０に対して大きくなっており、減肉部４５は、逆に小さく形成されている。
除肉部４６（溝部４４）と減肉部４５の大きさを調整することにより、効果的に熱容量の調整が可能であり、ヒュージング条件の設定自由度が増加し、接続信頼性などの向上を図ることができる。
減肉部４５が形成されているが、実施の形態２では、減肉部４５は、整流子片４０から、その内周側のベース樹脂４１の範囲に亘って形成されておらず、減肉部４５は、整流子片４０の部分に形成されたものであり、減肉部４５の内周側には、導電物である整流子片４０の部分を残して形成されているものである。
フック４２の先端部４２ａの近傍に形成された除肉部４６（溝部４４）の左側面は、フック４２の先端部４２ａのブラシ側の端面よりも、わずかにコア２４側（左側）となっている。除肉部４６（溝部４４）がコア２４側（左側）となっているため、ブラシ付モータ１の軸方向長さを小型化することができる。

実施の形態３．
実施の形態３を図６に基づいて説明する。図６は、整流子付近の要部説明図である。
実施の形態３は、除肉部４６（溝部４４）の軸方向の両側面に、テーパー部４４ａおよびテーパー部４４ｂを有しており、軸方向の長さは増加するものの、形成方法や加工工具などの選択自由度が向上する。
また、フック４２の先端部４２ａのコイル側の面４２ｂと、それと当接する整流子片４０との間には、接合補助材４８を有している。
接合補助材４８は、整流子片４０の表面にスズ（Ｓｎ）などのメッキを行なうことによって形成されており、図３にように、コイル２３がフック４２に係止される前に、モールド整流子２２の単体状態において予め形成されている。
フック４２の先端部４２ａのコイル側の面４２ｂと、それと当接する整流子片４０との間には、ヒュージング後において接合補助材４８を有しているので、両者間の密着強度が更に向上して、モータ回転時の遠心力などにより、フック４２の整流子片４０の表面から浮き上がりを防止できて、コイル２３と整流子片４０との電気的接続が安定して、モータ性能が向上する。
接合補助材４８は、モールド整流子２２の単体状態において予め形成されているので、巻線後のヒュージング前に、接合補助材４８を追加する必要がなく、生産性が良い。
なお、接合補助材４８は、各実施の形態において適用可能である。

実施の形態４．
実施の形態４を図７に基づいて説明する。図７は、整流子付近の要部説明図である。
実施の形態４は、フック４２の先端部４２ａにおける整流子片４０の外径寸法と、摺接部４３における整流子片４０の外径寸法が、同じ外径寸法ｄで形成されている。
この実施の形態４の整流子２２においても、除肉部４６（溝部４４）や減肉部４５などを設けることによって、上記同様の効果を得ることができるが、実施の形態１のように、外径寸法Ｄが、外径寸法ｄよりも大きく形成されている場合において、より大きな効果を得ることができる。

参考例１．
参考例１を図８に基づいて説明する。図８は整流子片の要部説明図であって、径方向外側から見た、一個の整流子片の正面図を示しており、参考例１は、除肉部４６の異なる形態を示すものである。
除肉部４６は、一個の整流子片４０の周方向（モータ回転方向）の幅寸法Ｗ１に対して、周方向の幅を減少させる除肉部４６を備えたもので、除肉部４６の部分は、周方向の幅寸法Ｗ２に形成されている。この整流子片４０が周方向に複数個配設されている。
除肉部４６は、整流子片４０の単体状態で、プレス加工で形成され、その整流子片４０をベース樹脂４１で一体化したモールド整流子２２である。
除肉部４６を備えているので、上記同様に、フック４２近傍の整流子片４０の熱容量を低減することができる。
除肉部４６が予め形成された整流子片４０を、ベース樹脂４１で一体化したモールド整流子２２であるため、他の実施の形態の除肉部４６（溝部４４）と比較して、除肉部４６の大きさの変更は容易ではないものの、後工程において切削加工などによって形成する必要がなく、除肉部４６はプレス加工で安価に形成される。
なお、除肉部４６は、一個の整流子片４０の周方向の両側に設けたが、片側であっても良く、整流子片４０に穴部などを設けても良い。

上記各実施の形態において、同一構成の部分は同様の効果を奏するものである。
また、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なものである。

１ ブラシ付モータ（回転電機）、 ２２ 整流子（モールド整流子）、 ２３ コイル（巻線）、 ３３ ブラシ、 ４０ 整流子片、 ４１ ベース樹脂、 ４２ フック、 ４２ａ 先端部、 ４２ｂ コイル側の面、 ４３ 摺接部、 ４４ 溝部、 ４４ａ テーパー部、 ４４ｂ テーパー部、 ４５ 減肉部、 ４６ 除肉部、 ４８ 接合補助材、 ５０ 均圧線。

Claims (9)

1. 軸方向の一端側にはコイルが接続されるフックと、他端側にはブラシが摺接する摺接部とが一体形成された整流子片を有し、該整流子片を周方向に複数個配設して構成された整流子と、前記フックとヒュージングによって電気的に接続されるコイルとを備えた回転電機であって、前記フックの先端部と前記摺接部との軸方向の間であって、前記先端部の近傍には、前記整流子片に除肉部を備えており、該除肉部は、前記整流子片の外周表面を円環状に窪ませて設けられた溝部であることを特徴とする回転電機。
2. 整流子は、各整流子片を保持するとともに各整流子片間を絶縁するベース樹脂を有したモールド整流子であって、該モールド整流子に対して切削加工で形成された溝部を備えていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. フックの先端部における整流子片の外径寸法は、摺接部における整流子片の外径寸法よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 溝部は、大径部と小径部の軸方向の境界に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の回転電機。
5. 溝部の軸方向側面には、テーパー部を有していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の回転電機。
6. フックの先端部のコイル側の面と、それと当接する整流子片との間には、接合補助材を有していることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の回転電機。
7. 整流子は、各整流子片を保持するとともに各整流子片間を絶縁するベース樹脂を有したモールド整流子であって、該モールド整流子のフックの内周側の整流子片には、軸方向の一端側に切削加工で減肉した減肉部を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の回転電機。
8. 減肉部は、整流子片からその内周側のベース樹脂の範囲に亘って形成されていることを特徴とする請求項７記載の回転電機。
9. フックとヒュージングによって電気的に接続される均圧線を備えていることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の回転電機。

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