JP7131190B2 - ブラシ装置及び直流モータ - Google Patents

Description

本発明は、整流子に給電ブラシを接触させるブラシ装置及び直流モータに関する。

組み立て直後の直流モータ等においては、給電ブラシと整流子との摺動状態が安定せず、給電ブラシと整流子との間の給電が不安定となり易い。従来では、このような給電ブラシの初期摺動時において摺動状態の早期安定化を図るべく、給電ブラシの摺動面の形状や給電ブラシの接触姿勢等が種々検討されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６－１９３８０号公報

本発明者は、給電ブラシの初期摺動時において、整流子に対する給電ブラシの摺動状態をより早期に安定化させることの検討を行っていた。
本発明の目的は、給電ブラシの初期摺動時において摺動状態をより早期に安定化させることができるブラシ装置及び直流モータを提供することにある。

上記課題を解決するブラシ装置は、電機子の整流子に接触し相対摺動する給電ブラシと、該給電ブラシを前記整流子の軸方向と直交する径方向に進退可能に保持するブラシ保持部と、前記給電ブラシを前記整流子側に付勢するコイルスプリングとを備えてなるブラシ装置であって、前記給電ブラシは、全体が略直方体形状をなし自身の進退方向と直交方向にピッグテールが導出されており、前記整流子と対向する先端部において前記整流子に接触し摺動する先端摺動面は、前記軸方向において前記給電ブラシの中央を通るとともに前記進退方向に延びる中央線に対して前記ピッグテールの導出側とは反対側にオフセットした位置に設定され前記整流子と接触する頂点部と、該頂点部から前記ピッグテール側部分であって後退側に傾斜する第１傾斜面と、前記頂点部から前記ピッグテールとは反対側部分であって後退側に傾斜する第２傾斜面とを有する初期形状をなすものであり、該初期形状をなす前記給電ブラシは、自身の進退方向と直交方向で前記頂点部を通る基準線に対し、前記先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも前記先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が小、若しくは前記第１傾斜角と前記第２傾斜面とが同等となるように設定されており、前記コイルスプリングは、長円巻回の長径方向が前記軸方向に向けられており、前記給電ブラシに対して該給電ブラシの前記中央線よりも前記ピッグテールの導出側にオフセットしてコイル軸線が位置するように前記コイルスプリングが該給電ブラシに接触した状態で該コイルスプリングの付勢にて前記ブラシ保持部に保持された状態の前記給電ブラシの先端部を前記ピッグテールの導出側とは反対側斜めに向けて傾倒する姿勢で前記整流子に対して接触させ、該接触の際、前記整流子に対する前記先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも前記先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が大となるように設定されている。

上記態様によれば、給電ブラシの先端部がピッグテールの導出側とは反対側斜めに向けて傾倒する姿勢で整流子に接触し、該接触の際、整流子に対する先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が大となる接触態様となる。これにより、組み立て直後の直流モータ等における給電ブラシの初期摺動の際、給電ブラシの先端摺動面の頂点部から整流子の製品個々の外周面に倣った摩耗が促進し、より早期に安定した摺動状態となり、より早期に安定した給電が可能となる。

上記態様によれば、給電ブラシの単体においては、先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が小か、若しくは第１傾斜角と第２傾斜面とが同等に設定され、整流子との接触の際の給電ブラシの傾倒により、整流子に対する第１傾斜角よりも第２傾斜角の方が大となる接触態様となる。つまり、給電ブラシの先端摺動面の第２傾斜面の形成によるブラシ本体の体積減少を極力抑えることが可能である。

また、上記課題を解決する直流モータは、上記ブラシ装置を備え、前記ブラシ装置が保持する給電ブラシを電機子の整流子に接触させ相対摺動させるように構成されている。
上記態様によれば、給電ブラシの初期摺動の際の摺動状態がより早期に安定化し、より早期に安定した給電が可能なブラシ装置を用いるため、直流モータとしてもより早期に安定した回転駆動を行うことが可能となる。

本発明のブラシ装置及び直流モータによれば、給電ブラシの初期摺動時において摺動状態をより早期に安定化させることができる。

実施形態の直流モータの軸方向断面図である。 ブラシ装置を軸方向視した平面図である。 （ａ）はブラシ装置の一部を拡大した軸方向断面図であり、（ｂ）は給電ブラシ単体の側面図である。 ブラシ装置を用いた直流モータの特性を示すグラフである。 （ａ）はブラシ装置の一部を拡大した軸方向断面図であり、（ｂ）は給電ブラシ単体の側面図であり、（ｃ）は給電ブラシ単体の正面図である。

以下、ブラシ装置及び直流モータの一実施形態について説明する。
図１に示す本実施形態の直流モータＭは、例えば電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）の駆動源として用いられる。直流モータＭは、モータハウジング１０と、モータハウジング１０内に収容される電機子（アーマチャ）２０及びブラシ装置３０とを備えている。

モータハウジング１０は、ヨークハウジング１１と、エンドフレーム１２とから構成されている。ヨークハウジング１１は、円形の底部１１ａと、底部１１ａの外周縁から軸方向に延びる円筒状の側壁部１１ｂとを有し、軸方向における底部１１ａとは反対側の端部に開口部１１ｃを有する有底円筒状をなしている。側壁部１１ｂの内周面には、界磁磁石１３が固着されている（本実施形態では界磁磁石１３は４磁極である）。また、ヨークハウジング１１の底部１１ａの中心部に設けた軸受保持部１１ｄには、ボール軸受１４が設けられている。

エンドフレーム１２は、円形の底部１２ａと、底部１２ａの外周縁から軸方向に延びる側壁部１２ｂとを有し、底部１２ａ及び側壁部１２ｂによって構成された収容凹部１５を有する形状をなしている。収容凹部１５には、ブラシ装置３０が収容されている。また、エンドフレーム１２の底部１２ａの中心部に設けた軸受保持部１２ｃには、ボール軸受１６が設けられている。エンドフレーム１２は、収容凹部１５をヨークハウジング１１側に向けて配置され、ヨークハウジング１１の開口部１１ｃに設けたフランジ部１１ｅに対してねじ１７によって固定されて、ヨークハウジング１１の開口部１１ｃを閉塞する。

ヨークハウジング１１内において、界磁磁石１３の内周側には、電機子２０が回転可能に配置されている。電機子２０は、回転軸２１と、回転軸２１に固定され界磁磁石１３と径方向に対向するロータコア２２と、ロータコア２２に巻回される巻線２３と、回転軸２１に固定された整流子２４とを備えている（本実施形態ではロータコア２２は２２スロット、巻線２３は分布巻きである）。

回転軸２１は、基端部がヨークハウジング１１側のボール軸受１４に軸支されるとともに、先端部側所定部位がエンドフレーム１２側のボール軸受１６に軸支されている。回転軸２１の先端部は、エンドフレーム１２のボール軸受１６から外部に突出し、突出部位に出力部材２５が固定されている。出力部材２５は、被駆動装置の入力部と駆動連結される。

整流子２４は、回転軸２１におけるロータコア２２よりも先端側（エンドフレーム１２側）の所定位置に固定されており、略全体がエンドフレーム１２の収容凹部１５内に位置している。整流子２４は、略円筒状をなし、外周面に複数（本実施形態では２２個）のセグメント２４ａが備えられている。各セグメント２４ａには、電機子２０の巻線２３が接続されている。

図１～図３に示すように、ブラシ装置３０は、エンドフレーム１２に固定されるブラシホルダ本体３１と、ブラシホルダ本体３１に支持された４つの給電ブラシ３２とを備えている。

ブラシホルダ本体３１は、平板円環状のベースプレート部３３と、ベースプレート部３３の第１面（ヨークハウジング１１側の面）に立設された４つのブラシボックス部３４とを有し、全体が樹脂にて一体形成されている。ベースプレート部３３は、第２面側がエンドフレーム１２の底部１２ａに向けられ、底部１２ａに対して３個のねじ３５を用いた３箇所の締結固定がなされている。ねじ３５による締結位置は、周方向の略１２０°間隔（具体的には１０５°、１０５°、１５０°）に設定され、９０°等間隔に配置されるブラシボックス部３４と干渉しない位置に設定されている。

ベースプレート部３３の第１面には、４つのブラシボックス部３４が周方向の９０°等間隔に配置されている。各ブラシボックス部３４は、ベースプレート部３３とで四角筒状をなし直流モータＭ（整流子２４）の軸直交方向である径方向に貫通する形状をなすとともに、径方向外側開口が本実施形態では真鍮製の閉塞板３６にてそれぞれ閉塞されている。閉塞板３６は、ベースプレート部３３に立設された保持部３３ａにて保持されている。また、ベースプレート部３３の中央部には、円形状をなす貫通孔３３ｂが形成され、各ブラシボックス部３４の径方向内側開口は、貫通孔３３ｂ内に位置する整流子２４側を向いている。

各ブラシボックス部３４内には、略直方体をなす給電ブラシ３２が直流モータＭ（整流子２４）の径方向（軸直交方向）に進退可能となるようにそれぞれ設けられている。各給電ブラシ３２は、整流子２４と対向する先端部が各ブラシボックス部３４の径方向内側開口から突出し、先端摺動面３２ａが整流子２４と接触し整流子２４と相対摺動する。また、各給電ブラシ３２の後端面３２ｂと閉塞板３６との間には、楕円（長円）状に巻回されるコイルスプリング３７がそれぞれ収容されている。各給電ブラシ３２は、コイルスプリング３７の付勢力を受けて、先端摺動面３２ａが整流子２４（セグメント２４ａ）に対して圧接するようになっている。

各給電ブラシ３２は、主に黒鉛粉体と銅粉体とを含む焼結体であり、ピッグテール３８の一端が結合（接続）されている。ピッグテール３８の他端は、ベースプレート部３３に配策されるターミナル（図示略）とかしめ固定若しくは溶接にて接続され、エンドフレーム１２に設けられた給電部３９と接続されている。そして、外部からの電源供給は、給電部３９から各ピッグテール３８を介して各給電ブラシ３２に、更には各給電ブラシ３２から整流子２４のセグメント２４ａを介して巻線２３になされ、電機子２０の回転駆動が行われるようになっている。

次に、本実施形態の各給電ブラシ３２の初期状態における自身の先端摺動面３２ａの形状、及び整流子２４との接触姿勢について詳述する。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、各給電ブラシ３２は、整流子２４（セグメント２４ａ）と接触し摺動する面が先端摺動面３２ａ、コイルスプリング３７と接触して付勢力を受ける面が後端面３２ｂであり、更にピッグテール３８が導出される面が上面３２ｃ、上面３２ｃと反対側面が下面３２ｄである。各給電ブラシ３２は、自身の上面３２ｃがブラシボックス部３４の上壁部３４ａと対向するように、自身の下面３２ｄがベースプレート部３３と対向するように、各ブラシボックス部３４内に収容されている。

各給電ブラシ３２の初期形状における先端摺動面３２ａは、上下方向の中央線Ｌ１よりも頂点部３２ａ０が下方にオフセットして位置しており、頂点部３２ａ０から上側部分であって後退側に傾斜する第１傾斜面３２ａ１と、頂点部３２ａ０から下側部分であって後退側に傾斜する第２傾斜面３２ａ２とを有している。第１及び第２傾斜面３２ａ１，３２ａ２の傾斜態様は、頂点部３２ａ０を通り上下方向の中央線Ｌ１と直交する基準線Ｌ０に対し、第１傾斜面３２ａ１は傾斜角α０°（例えば８°）、第２傾斜面３２ａ２は傾斜角β０°（例えば７°）に設定されている。

また、各給電ブラシ３２が各ブラシボックス部３４内に収容された状態において、コイルスプリング３７は、楕円（長円）巻回の長径方向が上下方向に向けられ、自身のコイル軸線Ｌ２がブラシボックス部３４の上壁部３４ａとベースプレート部３３との上下方向の中央線Ｌ３よりも上側（上壁部３４ａ側）となるように設置されている。つまり、給電ブラシ３２の後端面３２ｂには、自身の上下方向の中央線Ｌ１よりも上側にオフセットしてコイル軸線Ｌ２が位置するようにコイルスプリング３７が接触する。

ここで、各給電ブラシ３２の上面３２ｃと各ブラシボックス部３４の上壁部３４ａとの間と、下面３２ｄとベースプレート部３３との間に、給電ブラシ３２の径方向の進退を円滑にするためだけの本来の隙間よりも若干大きい隙間が設定されている。そのため、給電ブラシ３２の後端面３２ｂの上側にオフセットしてコイルスプリング３７の付勢力を受けると、給電ブラシ３２の先端部が若干斜め下方に向けて傾倒した状態、この場合、給電ブラシ３２の下面３２ｄの先端部がベースプレート部３３に当接、給電ブラシ３２の上面３２ｃの後端部がブラシボックス部３４の上壁部３４ａに当接するように傾倒した状態（給電ブラシ３２の下面３２ｄの後端側が非当接で浮き上がるように傾倒した状態）となり、この傾倒した状態にて給電ブラシ３２の先端摺動面３２ａの頂点部３２ａ０が整流子２４に対して接触する。この場合の給電ブラシ３２の傾倒態様は、傾倒角γ°（例えば２°）に設定されている。

すると、整流子２４に対する給電ブラシ３２の先端摺動面３２ａの第１及び第２傾斜面３２ａ１，３２ａ２の傾斜態様は、第１傾斜面３２ａ１は傾斜角α°（例えば６°）、第２傾斜面３２ａ２は傾斜角β°（例えば９°）となる。本実施形態では、整流子２４に対する給電ブラシ３２の先端摺動面３２ａの角度が第１傾斜面３２ａ１の傾斜角α°よりも第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β°が大きくなるように設定されている。式で表現すると、「α°＝α０°－γ°」「β°＝β０°＋γ°」で「β°＞α°」が成立する態様としている。

従って、組み立て直後の直流モータＭ等における各給電ブラシ３２の初期摺動の際、給電ブラシ３２の先端摺動面３２ａの頂点部３２ａ０から整流子２４（セグメント２４ａ）の製品毎に相違する外周面に倣った摩耗が促進し、早期に安定した摺動状態となり、早期に安定した給電が可能となる。結果、図４に示すように、直流モータＭの正転又は逆転に伴うトルク左右差や主電流変動ピークが、第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β０°をゼロとした比較例に対し、本実施形態（本製品）が３０％程度低減する効果等が得られるものである。

因みに、図５（ａ）～図５（ｃ）は、給電ブラシ３２の初期摺動（ランニング）が完了した状態、所謂直流モータＭの慣らし運転が完了した状態を示している。給電ブラシ３２の先端摺動面３２ａの頂点部３２ａ０（図３参照）は、整流子２４（セグメント２４ａ）の外周面との摺接にて摩耗し、先端摺動面３２ａの頂点部３２ａ０の対応位置に整流子２４の外周面に倣った初期摺接面３２ａｘが形成される。

次に、本実施形態の効果を以下に記載する。
（１）給電ブラシ３２の先端部が上面３２ｃのピッグテール３８の導出側とは反対側斜め下方に向けて傾倒する姿勢で整流子２４に接触し、該接触の際、整流子２４に対する先端摺動面３２ａの第１傾斜面３２ａ１の傾斜角α°よりも第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β°の方が大（β°＞α°）となる接触態様とした。これにより、給電ブラシ３２の初期摺動の際、先端摺動面３２ａの頂点部３２ａ０から整流子２４の製品個々の外周面に倣った摩耗が促進するため、より早期に安定した摺動状態とすることができ、より早期に安定した給電を行うことができる。また、このようなブラシ装置３０を用いることで、直流モータＭとしてもより早期に安定した回転駆動を行うことができる。

（２）給電ブラシ３２の単体において、先端摺動面３２ａの第１傾斜面３２ａ１の傾斜角α０°よりも第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β０°の方が小（β０°＜α０°）に設定し、整流子２４との接触の際の給電ブラシ３２の傾倒（傾倒角γ°）により、整流子２４に対する傾斜角α°よりも傾斜角β°の方が大（β°＞α°）となる接触態様とした。つまり、給電ブラシ３２の先端摺動面３２ａの第２傾斜面３２ａ２の形成によるブラシ３２本体の体積減少を極力抑えることができる。

尚、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・給電ブラシ３２の単体において、先端摺動面３２ａの第１傾斜面３２ａ１の傾斜角α０°よりも第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β０°の方が小（β０°＜α０°）に設定したが、第１傾斜面３２ａ１の傾斜角α０°と第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β０°とを同等（β０°＝α０°）に設定してもよい。また、第１傾斜面３２ａ１の傾斜角α０°よりも第２傾斜面３２ａ２の傾斜角β０°の方が大（β０°＞α０°）に設定してもよく、この場合、給電ブラシ３２の傾倒態様（傾倒角γ°）を調整して対応する。

・ブラシボックス部３４をベースプレート部３３に一体形成した樹脂製のブラシホルダ本体３１を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば樹脂製のベースプレート部に別体の真鍮製のブラシボックス部を設置する対応でもよい。この場合においても、樹脂製のベースプレート部と別体の真鍮製のブラシボックス部とで共同して四角筒状をなしてもいいが、別体の真鍮製のブラシボックス部単体で四角筒状をなしていてもよい。また、真鍮製のブラシボックス部とするのであれば、別体としていた閉塞板３６をそのブラシボックス部に一体形成してもよい。

・ブラシ装置３０（ベースプレート部３３）のねじ３５による締結箇所を周方向の略１２０°間隔の３箇所に設定したが、これに限定されるものではなく、例えば締結箇所を周方向の略１８０°間隔の２箇所に設定してもよい。また、締結箇所の数、間隔等は、これ以外に設定してもよい。

・給電ブラシ３２の付勢に楕円（長円）状に巻回されたコイルスプリング３７を用いたが、一般的な円状に巻回されたコイルスプリングを用いてもよい。また、コイルスプリング以外の付勢部材を用いてもよく、例えば捩りコイルバネを用いてもよい。

・給電ブラシ３２に対して初期摺動（ランニング）を行うことで、先端摺動面３２ａの頂点部３２ａ０の対応位置に図５にて示す初期摺接面３２ａｘが形成されるが、給電ブラシ３２を成形する成形金型において、予めその初期摺接面３２ａｘに近似した初期当接面３２ａｚを先端摺動面３２ａに形成しておいてもよい。つまり、給電ブラシ３２の初期摺動において整流子２４の外周面に倣った初期摺接面３２ａｘを得る際、予め形成した初期当接面３２ａｚから整流子２４の外周面との摺接にて得るようにすれば、給電ブラシ３２の初期摺動（ランニング）工程に係る時間の削減が期待できる。

・上記別例以外でブラシ装置３０、直流モータＭの構成を適宜変更してもよい。
次に、技術的思想を記載する。
電機子の整流子に接触し相対摺動する給電ブラシと、該給電ブラシを前記整流子の径方向に進退可能に保持するブラシ保持部と、前記給電ブラシを前記整流子側に付勢する付勢部材とを備えてなるブラシ装置であって、
前記給電ブラシは、全体が略直方体形状をなし自身の進退方向と直交方向にピッグテールが導出されており、前記整流子と対向する先端部において前記整流子に接触し摺動する先端摺動面は、前記ピッグテールの導出側とは反対側にオフセットした位置に設定され前記整流子と接触する初期当接面と、該初期当接面から前記ピッグテール側部分であって後退側に傾斜する第１傾斜面と、前記初期当接面から前記ピッグテールとは反対側部分であって後退側に傾斜する第２傾斜面とを有する初期形状をなすものであり、
前記付勢部材の付勢にて前記給電ブラシの先端部を前記ピッグテールの導出側とは反対側斜めに向けて傾倒する姿勢で前記整流子に対して接触させ、該接触の際、前記整流子に対する前記先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも前記先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が大となるように設定されていることを特徴とするブラシ装置。

上記態様によれば、給電ブラシの初期摺動において整流子の外周面に倣った初期摺接面を得る際、予め形成した初期当接面から整流子の外周面との摺接にて得るようにすれば、給電ブラシの初期摺動（ランニング）工程に係る時間の削減が可能となる。

２０…電機子、２４…整流子、３０…ブラシ装置、３２…給電ブラシ、３２ａ…先端摺動面、３２ａ０…頂点部、３２ａ１…第１傾斜面、３２ａ２…第２傾斜面、３４…ブラシボックス部（ブラシ保持部）、３７…コイルスプリング（付勢部材）、３８…ピッグテール、α°…傾斜角（第１傾斜角）、α０°…傾斜角（第１傾斜角）、β°…傾斜角（第２傾斜角）、β０°…傾斜角（第２傾斜角）、Ｌ０…基準線。

Claims (2)

1. 電機子の整流子に接触し相対摺動する給電ブラシと、該給電ブラシを前記整流子の軸方向と直交する径方向に進退可能に保持するブラシ保持部と、前記給電ブラシを前記整流子側に付勢するコイルスプリングとを備えてなるブラシ装置であって、
   前記給電ブラシは、全体が略直方体形状をなし自身の進退方向と直交方向にピッグテールが導出されており、前記整流子と対向する先端部において前記整流子に接触し摺動する先端摺動面は、前記軸方向において前記給電ブラシの中央を通るとともに前記進退方向に延びる中央線に対して前記ピッグテールの導出側とは反対側にオフセットした位置に設定され前記整流子と接触する頂点部と、該頂点部から前記ピッグテール側部分であって後退側に傾斜する第１傾斜面と、前記頂点部から前記ピッグテールとは反対側部分であって後退側に傾斜する第２傾斜面とを有する初期形状をなすものであり、該初期形状をなす前記給電ブラシは、自身の進退方向と直交方向で前記頂点部を通る基準線に対し、前記先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも前記先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が小、若しくは前記第１傾斜角と前記第２傾斜面とが同等となるように設定されており、
   前記コイルスプリングは、長円巻回の長径方向が前記軸方向に向けられており、
   前記給電ブラシに対して該給電ブラシの前記中央線よりも前記ピッグテールの導出側にオフセットしてコイル軸線が位置するように前記コイルスプリングが該給電ブラシの後端面に接触した状態で該コイルスプリングの付勢にて前記ブラシ保持部に保持された状態の前記給電ブラシの先端部を前記ピッグテールの導出側とは反対側斜めに向けて傾倒する姿勢で前記整流子に対して接触させ、該接触の際、前記整流子に対する前記先端摺動面の第１傾斜面の第１傾斜角よりも前記先端摺動面の第２傾斜面の第２傾斜角の方が大となるように設定されており、
   前記コイルスプリングの付勢にて前記ブラシ保持部に保持された状態の前記給電ブラシの先端部を前記ピッグテールの導出側とは反対側斜めに向けて傾倒する姿勢で前記整流子に対して接触させる際、前記給電ブラシにおける前記コイルスプリングの接触している前記後端面は、前記ピッグテールが導出されている側の端部が前記整流子の軸方向と直交する径方向における前記整流子側に傾倒する姿勢で、前記給電ブラシは、前記ピッグテールが導出されている側の面の後端部が前記ブラシ保持部の壁部に当接するとともに、該給電ブラシにおける前記ピッグテールとは反対側の面の先端部が前記壁部と対向する対向壁部に当接することを特徴とするブラシ装置。
2. 請求項１に記載のブラシ装置を備え、前記ブラシ装置が保持する給電ブラシを電機子の整流子に接触させ相対摺動させるように構成されていることを特徴とする直流モータ。

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