JP6018026B2 - 直流モータ - Google Patents

Description

本発明は直流モータに係り、特に、カーボンブラシを備えた直流モータに関するものである。

一般に、車両搭載機器については、駆動源として多くのブラシ付き直流モータが使用されている。
このようなブラシ付き直流モータでは、ブラシは、整流子を構成する整流子セグメントと圧接しており、外部電源から供給された電流は、ブラシを介して整流子及び電機子へと供給される。
一方、このようなブラシ付き直流モータに使用されるブラシは、消耗品であるため、使用に伴い摩耗する。
このように使用に伴いブラシが摩耗すると、整流子との接触が悪くなり、ついには電機子への給電が行えない状態となり、直流モータは停止する。
そして、直流モータが停止すると、これを駆動源としていた車両搭載機器が作動しなくなる。
このような問題を解消するために、ブラシの摩耗を報知する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、永久磁石型直流モータ及びモータ駆動型変速機操作装置が開示されている。
この技術では、シフト用モータ及びセレクト用モータとして用いられる永久磁石型直流モータのメインブラシに、長さの短い第２ブラシを絶縁部材を介して取付ける。
そして、使用に伴いメインブラシが摩耗し、第２ブラシがコンミュテータに接触したときに電流が流れて警報を発することにより、ブラシの摩耗を報知する。

特開２００２−３６９４６０号公報

このように、特許文献１に記載されたような技術によると、確かに、使用に伴いブラシが使用限界近くまで摩耗していることを報知することができ、ブラシの交換時期を把握することができる。
しかし、特許文献１に記載の技術では、特殊な形状のブラシが必要であり、汎用性がなかった。
よって、汎用性のあるブラシを使用して、ブラシの摩耗を報知することができる機構の開発が求められていた。

本発明の目的は、上記各問題点を解決することにあり、汎用性のあるブラシを使用して、長時間使用に起因するブラシ摩耗による交換時期を報知することが可能な直流モータを提供することにある。

上記課題は、本発明に係る直流モータによれば、巻線が巻回されて、回転中心となるシャフトを貫通させた状態で配設される電機子と、前記巻線が接続された整流子と、該整流子と接触するブラシ本体と、を備えた直流モータであって、前記ブラシ本体は、摩耗完了時には前記整流子と非接触状態となるものであり、前記ブラシ本体は、陽極及び陰極を対とする第一ブラシ本体と、陽極及び陰極を対とする第二ブラシ本体と、を有して構成されており、前記第一ブラシ本体は、前記第二ブラシ本体より、摩耗方向の長さが長くなるように構成されているとともに、前記第一ブラシ本体と前記第二ブラシ本体とは、外部電源から並列回路を構成していることにより解決される。

このように構成されていることより、第一ブラシ本体よりも、第二ブラシ本体の方が早く使用限界に到達することになる。
しかし、このように、第二ブラシ本体の方が先に使用限界に到達したとしても、並列回路として組まれた第一ブラシ本体には通電され、よって、この第一ブラシ本体によって、直流モータを駆動することができる。
つまり、モータ出力は減少するものの、直流モータ自体は駆動可能であり、急に機能停止状態となることはない。
よって、ブラシ本体の交換時期を把握でき、適切な時期にブラシ本体の交換を行うことが可能となる。
また、第一ブラシ本体及び第二ブラシ本体は、摩耗方向（径方向）の長さを変えただけの汎用性のあるブラシを使用することができるため、コスト的にも有利である。

また、このとき請求項２に記載のように、制御の中心となる制御装置を備え、該制御装置は、前記第二ブラシが摩耗して使用限界に到達すると、前記第二ブラシ本体への通電を遮断し、前記第一ブラシ本体のみでの駆動が実現されるよう構成されていると、制御装置により第二ブラシへの通電を遮断できるので、適切に第一ブラシのみでの運転に切り替えることができる。

更にこのとき、請求項３に記載のように、前記第二ブラシ本体への通電が遮断されたことによる、電流値変化及びこれに伴う電気関連変化により、前記第二ブラシ本体への通電が遮断されたことが報知されると好適である。

このように構成されていることにより、ブラシ本体の交換時期を明確に把握することができる。
また、電流変化に伴う電気関連変化とは、どのようなものが検知されてもよいが、例えば、回転数変化検知等が例示される。

本発明によれば、特集な形状のブラシを使用することなく、摩耗方向（径方向）の長さを変えただけの第一ブラシ本体及び第二ブラシ本体を使用して並列回路を構成することにより、ブラシ本体の使用限界を認識することができる。
よって、汎用性のあるブラシを使用する汎用性のあるブラシを使用して、長時間使用に起因するブラシ摩耗による交換時期を報知することができる。

本発明の一実施形態に係るモータの概略構成を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るブラシホルダを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る電気接続状態を示す説明図である。 本発明の他の実施形態に係る電気接続状態を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する構成は本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
本実施形態は、汎用性のあるブラシを使用して、長時間使用によるブラシ摩耗による交換時期を報知することが可能なブラシ付き直流モータを提供することにある。

図１乃至図３は、本発明の第一実施形態を示すものであり、図１はモータの概略構成を示す説明図、図２はブラシホルダを示す斜視図、図３は電気接続状態を示す説明図である。
図４は、本発明の他の実施形態を示すものであり、電機接続状態を示す説明図である。

（実施形態）
本実施形態に係るモータＭは、所謂「ブラシ付き直流モータ」の構成を採用したものである。
本実施形態に係るモータＭは、図１及び図２に示すように、出力軸となるシャフト１と、巻線２が巻回された電機子３と、整流子４と、界磁機構を構成する磁石５と、これらを内部に収納するヨークハウジング６と、ブラシ装置７２を含むブラシホルダ７と、このブラシホルダ７が搭載されるエンドハウジング８と、を主たる構成要素として構成されている。

シャフト１は、軸受Ｔ，Ｔを介して回転自在にヨークハウジング６に支持されている。
また、シャフト１には、巻線２が巻回されて構成される電機子３が固定されており、その周囲には電機子３の外周を囲むように磁石５（ヨークハウジング６の内壁面に電機子３の外周側面と対向するように配設されている）が配置されている。
更に、シャフトの出力側には整流子４もまた固定されている。

整流子４は、シャフト１と一体的に回転する円筒状の部材であり、その回転方向に沿って一定間隔毎に配置された複数のセグメント４ａを備えて構成される。
この整流子４は、シャフト１の回転に伴って回転し、この回転により、ブラシ装置Ｓに搭載されるブラシ本体７２ｂと当接するセグメント４ａが順次切り替わる。そして、この切替わりにより、巻線２を流れる電流の向きが切り替わる。

また、電機子３はシャフト１に固定された状態で、カップ形状のヨークハウジング６により被覆されており、そのヨークハウジング６の内壁面には、電機子３の外側面と対向するように磁石５が配設されている。
そして、前述のとおり、シャフト１の出力側には、整流子４が固定されており、この整流子４を出力側に配置した状態で、ヨークハウジング６開口部側（モータＭの出力側となる）は、ブラシホルダ６が搭載されたエンドハウジング８で閉塞されている。
なお、整流子４は、エンドハウジング８が配置された状態において、ブラシ本体７２ｂの端面と当接可能な位置に配置される。

図２により、ブラシホルダ７について説明する。
エンドハウジング８は、ブラシホルダ７が組付けられた状態でヨークハウジング６の開口部を被覆する。
エンドハウジング８を簡単に説明すると、エンドハウジング８は、略カップ形状の部材であり、底面中央部にシャフト貫通孔（図示せず）が形成されている。
このシャフト貫通孔（図示せず）から、シャフト１の出力側が突出した状態で組付けられることとなる。

ブラシホルダ７は、略カップ形状のエンドハウジング８に内挿可能に構成されたブロック状の部材であり、その中央部には、整流子配設孔７１が形成されている。
本実施形態に係るブラシホルダ７は、４個のブラシ装置７２、導電ターミナルプレート７３と、を有して構成されている。
本実施形態に係るブラシ装置７２は、整流子配設孔７１の周囲に、中心角９０°離隔した位置に４個配設されている。

本実施形態に係るブラシ装置７２は、ブラシケース７２ａ、ブラシ本体７２ｂ、給電用結線であるピグテールＰ（図１参照）を有して構成された公知のブラシ装置である。
ブラシ本体７２ｂは、主成分として銅粉を含有した黒鉛（ブラシ粉）から構成された略直方体形状の公知のモータ用ブラシである。
ブラシケース７２ａは、その内部にブラシ本体７２ｂが内蔵される中空略四角柱形状の部材であり、その上面には、径方向に切り欠かれたピグテール突出孔Ｈが形成されている。
そして、このピグテール突出孔ＨよりピグテールＰ（図１参照）が突出するように構成されている。

また、ブラシ本体７２ｂは、その外側端面（整流子４ととの摺接面と反対側の端面）側が付勢用スプリングである弾性部材Ｋ（図１参照）によって、整流子４側へと押圧されている。
つまり、ブラシ本体７２ｂの外側端面（整流子４との摺接面と反対側の端面）側にコイル状スプリングを配設して、当該端面を整流子４方向へ向けて押圧している。
なお、ブラシケース７２ａの側面に、図示しないスプリング貫通孔を形成し、付勢用スプリングの押圧側端部が、このスプリング貫通孔を貫通してブラシケース７２ａ内部に進入するように構成して、ブラシ本体７２ｂの外側端面（整流子４との摺接面と反対側の端面）に圧接させるよう構成されていてもよい。

また、本実施形態に係る導電ターミナルプレート７３は、外部電源よりピグテールＰへと給電するための導電性のプレートであり、各ブラシ本体７２ｂの配設位置まで伸びた状態でブラシホルダ７に樹脂モールドにより一体成形されている。
導電ターミナルプレート７３は、プラス極から２本、マイナス極から２本、合計４本で構成されている。
説明の便宜上、「第一プラス側ターミナル７３Ａ」「第二プラス側ターミナル７３Ｂ」「第一マイナス側ターミナル７３Ｃ」「第二マイナス側ターミナル７３Ｄ」と各々記すこととする。

本実施形態においては、４個の導電ターミナルプレート７３は、各々４個のブラシ装置７２へと延びるように構成されており、各々の端部は、電機子３配設側（つまり、ブラシケース７２が配設される側）へと立上って同方向に突出（露出）している。
そして、この突出（露出）した部分にピグテールＰが接続されて、このピグテールＰを介してブラシ本体７２ｂに通電される。

また、本実施形態においては、ブラシ本体７２ｂは、２種類４個使用される。
つまり、ブラシ本体７２ｂの長さ（径方向、つまり進行方向に沿った長さ）は、２種類使用される。
比較的ブラシ長が大きく、第一プラス側ターミナル７３Ａに連結されるブラシ本体７２ｂを「長尺プラス側ブラシＬ１」、比較的ブラシ長が大きく、第一マイナス側導電ターミナル７３Ｃに連結されるブラシ本体７２ｂを「長尺マイナス側ブラシＬ２」と記す。
また、比較的ブラシ長が小さく、第二プラス側ターミナル７３Ｂに連結されるブラシ本体７２ｂを「短尺プラス側ブラシＳ１」、比較的ブラシ長が小さく、第二マイナス側導電ターミナル７３Ｄに連結されるブラシ本体７２ｂを「短尺マイナス側ブラシＳ２」と記す。

このように配設されることの作用を、図３により示す。
なお、本実施形態においては、４極２２スロット、２２セグメント重ね巻、５本ティース分布巻を適用した例を示した。
図３（ａ）に示すように、本実施形態においては、長尺プラス側ブラシＬ１、長尺マイナス側ブラシＬ２、短尺プラス側ブラシＳ１、短尺マイナス側ブラシＳ２の４本のブラシ本体７２ｂが配設されており、それぞれ、外部電源と連結される導電ターミナルプレート７３より給電されている。

このとき、前述のように、導電ターミナルプレート７３は、第一プラス側ターミナル７３Ａ、第二プラス側ターミナル７３Ｂ、第一マイナス側ターミナル７３Ｃ、第二マイナス側ターミナル７３Ｄの４個のターミナル片から形成されており、各々の極性を有するように各ブラシ本体７２ｂに（ピグテールＰを介して）連結される。
このとき、外部電源、長尺プラス側ブラシＬ１、長尺マイナス側ブラシＬ２で形成される回路（以下、「長尺ブラシ回路Ｒ１」と記す）と、外部電源、短尺プラス側ブラシＳ１、短尺マイナス側ブラシＳ２で形成される回路（以下、「短尺ブラシ回路Ｒ２」と記す）は、並列となるように連結されている。
また、各々のブラシ本体７２ｂは、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）に連結されている。

この図３（ａ）の状態で、使用を続けると、図３（ｂ）に示すように、長さの短い短尺プラス側ブラシＳ１及び短尺マイナス側ブラシＳ２が先に使用限界に到達することとなる。
このように、短尺プラス側ブラシＳ１及び短尺マイナス側ブラシＳ２が使用限界となった場合、ＥＣＵにより供給電流が遮断される。
つまり、短尺ブラシ回路Ｒ２が切断される。
このとき、並列回路が崩れるため、巻線２へ加わる電流値が変化する。
よって、この電流値の変化やこれによる回転数の変化を検出して、ＥＣＵによりウォーニングランプを点灯させる等の処理を行い、ドライバに報知することができる。
これにより、ブラシ本体７２ｂの交換時期を適切に把握することができる。

しかし、並列にて、長尺ブラシ回路Ｒ１が組まれているため、短尺ブラシ回路Ｒ２が切断されても、長尺ブラシ回路Ｒ１により、モータＭの機能が完全に停止することはない。
よって、モータＭの出力は約１／２程度に低減するが、機能を使用することは可能である。
例えば、本実施形態にように、当該モータＭをパワーステアリングモータとして使用している場合には、モータＭの出力低下によりハンドル操作は重くなるが、通常走行は可能なレベルであるため、ディーラーに車両を持ち込むことが可能となる。

（改変例）
次いで、図４により、上記実施形態の改変例について説明する。
図４では、６極４ブラシの例を示した。
この場合には、均圧線（短絡線）を使用するとよい。
１２０°を結ぶ均圧線（短絡線）を使用することにより、上記実施形態と同様の効果を奏することが可能となる。

以上のように、本実施形態においては、汎用性のあるブラシ本体７３を長さを変えて使用することにより、長時間使用によるブラシ摩耗による交換時期を報知することが可能となる。
また、当該報知がなされた場合であっても、機能停止することがなく、ドライバが適切な対処を行うことが可能となる。

１・・シャフト、２・・巻線、３・・電機子、４・・整流子、５・・磁石、
６・・ヨークハウジング、
７・・ブラシホルダ、７１・・整流子配設孔、
７２・・ブラシ装置、７２ａ・・ブラシケース、
７２ｂ・・ブラシ本体、Ｌ１・・長尺プラス側ブラシ（第一ブラシ本体）、
Ｌ２・・長尺マイナス側ブラシ（第一ブラシ本体）、
Ｓ１・・短尺プラス側ブラシ（第二ブラシ本体）、
Ｓ２・・短尺マイナス側ブラシ（第二ブラシ本体）、
７３・・導電ターミナルプレート、
７３Ａ・・第一プラス側ターミナル、７３Ｂ・・第二プラス側ターミナル、
７３Ｃ・・第一マイナス側ターミナル、７３Ｄ・・第二マイナス側ターミナル、
Ｒ１・・長尺ブラシ回路、Ｒ２・・短尺ブラシ回路、
Ｈ・・ピグテール突出孔、Ｋ‥弾性部材、Ｐ・・ピグテール、Ｔ・・軸受、Ｍ‥モータ

Claims (3)

1. 巻線が巻回されて、回転中心となるシャフトを貫通させた状態で配設される電機子と、
   前記巻線が接続された整流子と、該整流子と接触するブラシ本体と、を備えた直流モータであって、
   前記ブラシ本体は、摩耗完了時には前記整流子と非接触状態となるものであり、
   前記ブラシ本体は、陽極及び陰極を対とする第一ブラシ本体と、陽極及び陰極を対とする第二ブラシ本体と、を有して構成されており、
   前記第一ブラシ本体は、前記第二ブラシ本体より、摩耗方向の長さが長くなるように構成されているとともに、前記第一ブラシ本体と前記第二ブラシ本体とは、外部電源から並列回路を構成していることを特徴とする直流モータ。
2. 制御の中心となる制御装置を備え、
   該制御装置は、前記第二ブラシが摩耗して使用限界に到達すると、前記第二ブラシ本体への通電を遮断し、
   前記第一ブラシ本体のみでの駆動が実現されることを特徴とする請求項１に記載の直流モータ。
3. 前記第二ブラシ本体への通電が遮断されたことによる、電流値変化及びこれに伴う電気関連変化により、前記第二ブラシ本体への通電が遮断されたことが報知されることを特徴とする請求項２に記載の直流モータ。

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