JP5872202B2 - ブラシ付ｄｃモータ - Google Patents

Description

本発明は、ブラシ（刷子）の構造に特徴のあるブラシ付ＤＣモータに関する。

ブラシ付ＤＣモータは、外部電源から供給される直流を交流に変換する整流子とブラシの接点部品を有する構成となっており、整流子とブラシ間でスパークが発生するため、整流子とブラシにスパーク摩耗が生じる。このスパーク磨耗は、モータの寿命に大きな影響を与える。従来は、ブラシの整流子と接触する部分の厚みを確保するためクラッド部を隆起させ、このクラッド部の厚み（クラッド厚）を確保することでブラシのスパーク磨耗に対するマージンを確保し、ブラシ付ＤＣモータの長寿命化を図っていた。この技術に関連し、例えば、特許文献１には、中側のブラシに折曲接触部と平板接触部を設けることで、安定した接触を得、長寿命化を図ったブラシ装置が開示されている。また特許文献２には、ブラシ先端部と根元の幅を規定することで、ブラシ片の共振点をずらす構成について記載されている。

特開２００１−２８６１０３号公報 特開平１１―６９７２８号公報

従来のブラシ付ＤＣモータのブラシ片においては、部分的に肉厚とされたクラッド部が磨耗してゆき、最終的にクラッド部が全磨耗することで寿命となるように設計されている。しかしながら、寿命に達したと判定されるモータのブラシ部分を解析すると、クラッド部が全磨耗する以前の段階のものが散見され、上述した想定通りになっていなかった。また、ブラシからは、各々のブラシ片が持つ共振周波数が同調しノイズが発生していた。上述した従来技術における工夫は、ブラシの信頼性や耐久性を向上させることを目的とするものであるが、その効果には限界があり、またブラシから発生するノイズを抑える点で更なる工夫が求められている。このような背景において、本発明は、ブラシ付ＤＣモータにおいて、耐摩耗性に優れ、ノイズの発生を低減できる技術を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、ブラシ片の本数が２以上の素数で構成されたブラシを備えたブラシ付ＤＣモータにおいて、それぞれのブラシ片の幅は、それぞれのブラシ片のクラッド板厚以上で、且つ、２つ以上のブラシ片の形状が異なることを特徴とするブラシ付ＤＣモータである。

請求項１に記載の発明は、ブラシ片の本数が前記３以上の素数で構成されたブラシを備えたブラシ付ＤＣモータにおいて、それぞれのブラシ片の幅は、それぞれのブラシ片のクラッド板厚以上で、且つ、３つ以上のブラシ片の形状が異なり、前記形状の異なる３つ以上のブラシ片のそれぞれは、その長さおよびクラッド板の長さが異なっており、前記３つ以上のブラシ片のそれぞれは、長手形状を有する板状の部材であり、長手方向の両辺の長さが等しいことを特徴とするブラシ付ＤＣモータである。

仮に、複数のブラシ片の振動が揃っていると、ブラシ全体の共振現象が顕著になり、局所的に磨耗が進行する現象が生じやすくなる。これは、従来の技術において問題となるクラッド部の磨耗が局所的な部分に集中する現象の要因となる。これに対して、請求項１に記載の発明では、複数のブラシ片の共振周波数が意図的にずれるように設定されているので、ブラシ全体の共振が分散され、それぞれのブラシ片の幅をクラッド板厚以上とすることと相俟って、上述したブラシ片が部分的に磨耗する現象が抑えられる。このブラシ片が部分的に磨耗する現象が抑えられることで、ブラシ全体の寿命が長くなる。

また、部分的な磨耗が進行すると、ブラシ片と整流子との電気的な接触が部分的に不良となり、部分的な導通不良が生じる。この状態は、不安定であり、ブラシと整流子との間で火花が飛び易く、火花の発生によるノイズの発生が生じ易い。これに対して、それぞれのブラシ片の幅をクラッド板厚以上とし、且つ、複数のブラシ片の共振周波数をずらした場合、上記の部分的な導通不良の発生が抑えられるので、ノイズの発生も抑えられる。

以上の理由により、請求項１に記載の構成を採用することで、ブラシの寿命が長寿命化され、またブラシと整流子との接触に起因するノイズの発生が抑えられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、それぞれのブラシ片の幅は、それぞれのブラシ片のクラッド板厚の２倍以上で構成されていることを特徴とする。それぞれのブラシ片の幅を、該当するブラシ片のクラッド板厚の２倍以上とすることで、ブラシの寿命を長くする効果をより顕著に得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記形状の異なる３つ以上のブラシ片は、その幅が異なっていることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、ブラシ片の幅を異ならせることで、複数のブラシ片の共振周波数をずらしている。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発明において、前記形状の異なる３つ以上のブラシ片のそれぞれは、形状および寸法の少なくとも一方が異なる溝が形成されていることを特徴とする。請求項４に記載の発明では、ブラシ片に溝を設け、この溝の形状および寸法を異ならせることで、ブラシ片の形状（この場合の形状は、設けられている溝も含めて捉える）に違いを持たせている。溝は、裏面にまで貫通した孔であってもよいし、裏面にまで貫通しない凹部形状であってもよい。溝の数は、１つに限定されず、複数であってもよい。

本発明によれば、ブラシ付ＤＣモータにおいて、耐摩耗性に優れ、共振によるノイズの発生を低減できる技術が提供される。

実施形態のブラシ付ＤＣモータの断面図である。 実施形態のブラシの正面図（Ａ）と下面図（Ｂ）である。 ブラシの耐久試験の結果を示すグラフである。 実施形態のブラシの正面図である。 実施形態のブラシの正面図である。

（全体の構成）
図１には、実施形態のブラシ付ＤＣモータ１００が示されている。ブラシ付ＤＣモータ１００は、フレーム１０１を備えている。フレーム１０１は、ブラシ付ＤＣモータ１００のケーシングを構成する部材であり、軟磁性材料により構成された略筒形状を有している。フレーム１０１は、界磁マグネット１０２のバックヨークとしても機能する。フレーム１０１の内側には、永久磁石により構成される界磁マグネット１０２が配置されている。界磁マグネット１０２の着磁の状態は、通常のブラシ付ＤＣモータの場合と同じである。フレーム１０１は、軸方向の一方（図１における右の方向）が開放された構造を有し、そこに樹脂製のブラケット１０３が取り付けられている。ブラケット１０３には、ブラシ（刷子）２００が固定されている。ブラシ２００の詳細な構造については後で詳述する。ブラケット１０３には、ブラシ２００に接続された端子１０６が取り付けられている。端子１０６に外部からの配線が接続される。また、ブラケット１０３には、板金により構成されたリアフレーム１０４が取り付けられている。

界磁マグネット１０２の内側には、アマチュア１０７が回転自在な状態で保持されている。アマチュア１０７の構造は、通常のブラシ付ＤＣモータにおけるアマチュアの構造と同じである。すなわち、アマチュア１０７は、アマチュアコア１０８とアマチュアコイル１０９を備えている。アマチュアコア１０８は、珪素鋼板を積層したもので構成されている。詳細な説明は省略するが、アマチュアコア１０８は、軸方向から見て等角な角度位置に軸から離れる方向に延在する複数の突極を備えている。この複数の突極にマグネットワイヤが巻回され、アマチュアコイル１０９が構成されている。

アマチュアコア１０７の中心には、回転軸であるシャフト１１０が固定されている。シャフト１１０は、軸受１１１によってフレーム１０１に回転自在な状態で保持され、軸受１１２によってリアフレーム１０４に回転自在な状態で保持されている。

シャフト１１０には、整流子ユニット１１３が取り付けられている。整流子ユニット１１３は、ブラシ２００と接触する電極である整流子片１１４を備えている。整流子片１１４は、アマチュアコイル１０９の巻線（マグネットワイヤ）に接続されている。これら整流子片１１４に係る部分の構造は、通常のブラシ付ＤＣモータの整流子の場合と同じである。

（ブラシの構成）
図２には、図１にも示されているブラシ（刷子）２００が示されている。ブラシ２００は、３本のブラシ片２１０，２２０，２３０を備えている。各ブラシ片は、整流子と接触する部分に、他の部分よりも肉厚としたクラッド部２１１,２２１,２３１を備えている。すなわち、ブラシ片２１０は、厚み寸法がＤのクラッド部２１１を備え、ブラシ片２２０は、厚み寸法がＤのクラッド部２２１を備え、ブラシ片２３０は、厚み寸法がＤのクラッド部２３１を備えている。ブラシ片２１０の幅の寸法Ａは、Ｄ≦Ａを満たす値とされ、ブラシ片２２０の幅の寸法Ｂは、Ｄ≦Ｂを満たす値とされ、ブラシ片２３０の幅の寸法Ｃは、Ｄ≦Ｃを満たす値とされている。各ブラシ片の幅の寸法をクラッド部の厚みの寸法を超える値とすることで、スパーク磨耗を抑制することができる。クラッド部２１１，２２１，２３１は、ブラシ片２１０，２２０，２３０に貴金属をベースとしたクラッド材を溶着することで設けられている。ここでは、クラッド材とその下地のブラシ片の構成部材の厚みの合計をクラッド部２１０、２２０，２３０の厚み寸法Ｄとして捉えている。

図２の例において、ブラシ２００は、ブラシ片として２種類の幅の寸法を有するものを採用している。この例では、Ａ＝Ｃ≠Ｂとし、ブラシ片２１０，２３０の共振周波数とブラシ片２２０の共振周波数とを意図的にずらしている。なお、Ａ≠Ｃ≠Ｂ、Ａ＝Ｂ≠ＣまたはＡ≠Ｃ＝Ｂ（つまりＡ＝Ｂ＝Ｃ以外の組み合わせ）とすることも可能である。

ここで、ブラシ２００を構成する材料は、銅合金である。各部の具体的な寸法としては、寸法比で考えて、Ａ＝0.6、Ｂ＝1.0、Ｃ＝0.6、Ｄ＝0.2、Ｌ＝7.0であり、またクラッド部２１１,２２１,２３１以外の部分の厚みを0.07とする例が挙げられる。ここで示す材料名や各部の寸法は、一例であり、上述した各部の寸法関係を満たすのであれば、上記の具体的な材料や寸法に限定されない。また、図１には、ブラシ片の数が３本の場合が示されているが、２、５、６、７、１１といった素数の数を採用可能である。なお、ブラシ片の数を素数でない数とすることは、異常な共振が生じる可能性が増大するので、一般には採用されない。

（寿命テストの結果）
図１のブラシ２００とブラシの全幅が同じ値で、スリット幅が同じ値となるようにブラシ片の数を７本とした比較サンプルを用意した。この比較サンプルは、７本のブラシ片を全て同じものとした。なお、クラッド部の厚みおよび長手方向の寸法は、図１のブラシ２００と同じである。実施形態と比較例の各種条件を表１に示す。

図３に同一条件で耐久テストを行った結果を示す。この耐久テストは、２４Ｖの電圧を印可しての駆動を一定時間行い、その後に駆動を停止するテストを１サイクルとして行った。また、ブラシが折損又は変形となった状態をブラシの寿命が尽きた状態と判定した。図３に示すように、図１の実施形態の方が比較サンプルに比較してブラシの耐久性が格段に高いことが判明した。

（優位性）
ブラシ片２１０,２２０,２３０の幅Ａ，Ｂ，Ｃを、それぞれのブラシ片のクラッド板厚Ｄ以上の寸法としている。こうすることで、磨耗が部分的に進行する現象が抑えられ、ブラシが長寿命化される。また、それに加えて、ブラシ片２１０,２３０とブラシ片２２０との幅を異ならせ、その共振周波数をずらした構造とすることでも磨耗が部分的に進行する現象が抑えられ、ブラシが長寿命化される。

（他のバリエーション）
本発明を利用したブラシ形状の図１以外のバリエーションについて説明する。図４には、ブラシ３００が示されている。ブラシ３００は、複数のブラシ片の形状を異なったものとする形態として、複数のブラシ片の幅を同じとし、長さを異ならせている。すなわち、ブラシ３００は、ブラシ片３１０，３２０，３３０を備えている。３本のブラシ片３１０，３２０，３３０は、その幅の値Ａが同じであり、その長さＥ，Ｆ，Ｇが異なっている。長さを異ならせることで、３本のブラシ片３１０，３２０，３３０の共振周波数を異なる値に設定している。ブラシ片３１０は、クラッド部３１１を備え、ブラシ片３２０は、クラッド部３２１を備え、ブラシ片３３０は、クラッド部３３１を備えている。クラッド部３１１，３２１，３３１の厚みは、全て同じである。図４には、Ｅ≠Ｆ≠Ｇの例が示されているが、Ｅ≠Ｆ＝Ｇ、Ｅ＝Ｆ≠ＧまたはＥ＝Ｇ≠Ｆの設定も可能である。

図５には、ブラシ４００が示されている。ブラシ４００は、複数のブラシ片の形状を異なったものとする形態として、複数のブラシ片の幅と長さを同じとし、各ブラシ片に設けられた溝の形状および面積を異ならせている。すなわち、ブラシ４００は、ブラシ片４１０，４２０，４３０を備えている。ブラシ片４１０，４２０，４３０は、その幅および長さが同じに設定されている。ブラシ片４１０には、長さがＫである細長い開口部を有した孔部４１２が設けられ、ブラシ片４２０には、長さがＪである細長い開口部を有した孔部４２２が設けられ、ブラシ片４３０には、長さがＨである細長い開口部を有した孔部４３２が設けられている。なお、孔部４１２，４２２，４３２の幅は同じ値を有している。孔部４１２，４２２，４３２は、溝の一例であり、裏側にまで貫通した構造を有している。孔部４１２，４２２，４３２は、それぞれ形状が異なるので、ブラシ片４１０，４２０，４３０の共振周波数は異なっている。

図５には、孔部の形状と面積を変えることでブラシ片４１０,４２０,４３０の共振周波数を異なる値に設定する場合が示されているが、孔部の形状を同じとし、その開口部の面積を変えることで、各ブラシ片の共振周波数を異なる値に設定する形態も可能である。また、孔部の開口部の面積を同じとし、開口部の形状を変えることで、各ブラシ片の共振周波数を異なる値に設定する形態も可能である。各ブラシ片における孔部の数は、１つに限定されず、複数であってもよい。

また、図２、図４および図５に示す構成の２以上を組み合わせることも可能である。本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではなく、当業者が想到しうる種々の変形も含むものであり、本発明の効果も上述した内容に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。

本発明は、ブラシ付ＤＣモータに利用することができる。

１００…ブラシ付ＤＣモータ、１０１…フレーム、１０２…界磁マグネット、１０３…ブラケット、１０４…リアフレーム、１０６…端子、１０７…アマチュア、１０８…アマチュアコア、１０９…アマチュアコイル、１１０…シャフト、１１１…軸受、１１２…軸受、１１３…整流子ユニット、１１４…整流子片、２００…ブラシ（刷子）、２１０…ブラシ片、２１１…クラッド部、２２０…ブラシ片、２２１…クラッド部、２３０…ブラシ片、２３１…クラッド部、３００…ブラシ（刷子）、３１０…ブラシ片、３１１…クラッド部、３２０…ブラシ片、３２１…クラッド部、３３０…ブラシ片、３３１…クラッド部、４００…ブラシ（刷子）、４１０…ブラシ片、４１１…クラッド部、４２０…ブラシ片、４２１…クラッド部、４３０…ブラシ片、４３１…クラッド部、４１２…孔部、４２２…孔部、４３２…孔部。

Claims (4)

1. ブラシ片の本数が３以上の素数で構成されたブラシを備えたブラシ付ＤＣモータにおいて、それぞれのブラシ片の幅は、それぞれのブラシ片のクラッド板厚以上で、且つ、前記３つ以上のブラシ片の形状が異なり、
   前記形状の異なる３つ以上のブラシ片のぞれぞれは、その長さおよびクラッド板の長さが異なっており、
   前記３つ以上のブラシ片のぞれぞれは、長手形状を有する板状の部材であり、長手方向の両辺の長さが等しいことを特徴とするブラシ付ＤＣモータ。
2. それぞれのブラシ片の幅は、それぞれのブラシ片のクラッド板厚の２倍以上で構成された請求項１記載のブラシ付ＤＣモータ。
3. 前記形状の異なる２つ以上のブラシ片は、その幅が異なっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシ付ＤＣモータ。
4. 前記形状の異なる２つ以上のブラシ片のそれぞれは、形状および寸法の少なくとも一方が異なる溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のブラシ付ＤＣモータ。

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