JPH08205482A - 単相交流整流子モータ用ブラシ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】電気掃除機用及び電動工具用の交流整流子モー
タのブラシ１３として、ブラシ内部に貫通孔を設け、そ
の中にピグテール１２とカーボン繊維１６とを銅粉等で
止めて、カーボン繊維１６もしくはカーボン繊維１６と
ピグテール１２をブラシ摺動面まで延長させて整流子７
と摺動接触する構成としたブラシ。 【効果】平均的にブラシの抵抗値を低減することがで
き、整流子面も損傷すること無く接触抵抗も小さくで
き、高効率の電気掃除機用及び電動工具用モータを得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はブラシと、このブラシを
使用するブラシ保持器を備えた電動工具及び電気掃除機
等に適用される単相交流整流子モータ用ブラシに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電源が単相交流で動作する電動工
具用及び電気掃除機用モータでは、直巻特性が必要なた
め駆動用モータとして単相交流整流子モータが多く用い
られている。このモータは負荷が軽いと回転速度が増加
し、負荷が重いと回転速度が下がって高トルクを発生す
る。このため通常は印加電圧を直入れして運転する場合
と制御素子であるトライアツク用いて位相制御による電
圧制御で単相交流整流子モータの回転速度を制御する場
合がある。いずれの場合でも単相交流整流子モータは直
流機と同様に整流子とブラシとによる機械的なスイッチ
ングでの整流現象があるために、ブラシで短絡されてい
る整流中のコイルにはリアクタンス電圧が発生し、整流
子片がブラシから離れる瞬間に両者間の電圧が火花電圧
を越えていると火花を生じる。大形機の場合にはリアク
タンス電圧を打ち消すために補極等を設けるが、電動工
具用や電気掃除機用等の小形の単相交流整流子モータで
はモータ内に空間がとれないために補極等を設けること
ができない。また、さらに単相交流整流子モータの場合
は界磁巻線の電流が交流のために電機子巻線には変圧器
作用で変圧器起電力も発生し、その電圧もブラシで短絡
されるために、ブラシ火花発生の原因になっている。こ
のため通常の単相交流整流子モータのブラシは、比抵抗
が１０,０００μΩcm 以上と比抵抗の大きいブラシ材を
適用し、ブラシを介して流れる短絡電流を抑制すること
により、ブラシ火花の発生を小さくする方法が取られて
いる。このことは逆に電流がブラシの中を通過するとき
発生する電圧降下が大きくなることを意味し、ブラシ内
で発生する抵抗損(電気損)が大きくなりモータ効率が低
い要因の一つになっている。この対応策の一つとしてブ
ラシ電気損の低減構造が特開平5−38099号公報で提案さ
れており、その特徴は抵抗率が最も高い材料よりなるブ
ラシ主部よりも、抵抗率が低い銅の粉末を固めて形成し
た電気導体を、ブラシ主部に穴を穿ち、電流方向に伸ば
して充填するとともに、この電気導体の径または電流方
向と直交する断面の縦横寸法を、ブラシ主部の電流方向
と直交する断面の縦横寸法より夫々小さく構成したこと
にある。また、カーボン繊維を主体にしたブラシも特開
昭48−78403 号公報で提案されているが、その構成は四
角に構成した金具の中にカーボン繊維を束ねて挿入する
構成と四角の電気絶縁材に貫通した小孔を設け、その孔
の中にカーボン繊維を束ねて挿入する構成が提案されて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来技術で
は、ブラシ主部の穴に銅粉末を充填して電気導体とする
方法は、ブラシと整流子間の摺動接触が安定していない
場合に、ブラシの振動で銅粉末間の結束が緩くなり、か
つ接触面の近くは銅粉末が固まった粒子が脱落したりす
る問題がある。また逆に銅粉末間の結束が強過ぎるとブ
ラシが摩耗するのに対して、銅粉末部が摩耗しにくいこ
とになり、かつ電気導体部は比抵抗が小さいために短絡
電流が集中する結果、火花が発生しやすくその部分に対
応した整流子摺動面が火花の影響で深い溝がリング状に
生じる。このように整流子面が荒損すると、ブラシと整
流子の安定した摺動が維持できなくなり、整流子モータ
の寿命を左右する問題となる。また、カーボン繊維を主
体にしたブラシはカーボン繊維の成形が困難であること
が大きな問題であった。

【０００４】本発明の目的は、単相交流整流子モータの
整流子面を傷めないで、かつブラシ電気損が小さく、さ
らにブラシ寿命を向上できるブラシを得ることにあり、
そのブラシを適用することにより高効率で、長寿命の電
動工具用及び電気掃除機用の単相交流整流子モータを得
ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載のブラシは、整流子に摺動して摩耗
するブラシの全長に渡り、比抵抗の大きいブラシ主部に
貫通孔を設け、その貫通孔に比抵抗の小さいカーボン繊
維等を用いて電気導体にし、電流方向に沿ってブラシ全
長に渡ってブラシ主部の貫通孔内に内在させてブラシと
したことである。

【０００６】また、同様の目的を達成するために、請求
項２に記載のブラシでは、整流子に摺動して摩耗するブ
ラシの全長に渡り、カーボン繊維，予め金属メッキした
カーボン繊維等を単独もしくは両者を混在させて比抵抗
の小さい電気導体としたことである。また、同様の目的
を達成するために請求項３に記載のブラシでは、電気導
体を構成するカーボン繊維を束ねた後に金属メッキし、
比抵抗の大きいブラシ主部の中に設ける。

【０００７】また、同様の目的を達成するために請求項
４に記載のブラシでは、整流子に摺動して摩耗するブラ
シの全長に渡り設けた貫通孔内で、比抵抗の小さいカー
ボン繊維を比抵抗の大きいブラシ主部の一端側でピグテ
ールと比抵抗の小さいカーボン繊維もしくは金属メッキ
したカーボン繊維とを銅粉で固定するようにした。ま
た、同様の目的を達成するために請求項５に記載のブラ
シでは、カーボン繊維からなる電気導体の摺動面に向か
う方向を、電流方向に対し斜めになるようにしてブラシ
摩耗の進展とともに整流子面との接触位置が整流子の軸
方向で変わるようにした。

【０００８】また、同様の目的を達成するために請求項
６に記載のブラシでは、カーボン繊維からなる電気導体
の摺動面に向かう方向を、電流方向に対し斜めになるよ
うにしてブラシ摩耗の進展とともに整流子面との接触位
置が整流子面の周方向で変わるようにしたものである。
また、同様の目的を達成するために請求項７に記載のブ
ラシでは、整流子に摺動して摩耗するブラシの全長に渡
って設けた貫通孔内で、比抵抗の大きいブラシ主部内部
に比抵抗の小さいカーボン繊維等を固定するのに、カー
ボン紛や銅粉を全長に渡って充填して固定をするように
したものである。また、同様の目的を達成するために請
求項８に記載のブラシでは、整流子に摺動して摩耗する
ブラシの全長に渡って設けた貫通孔内で、比抵抗の大き
いブラシ主部内部に比抵抗の小さいカーボン繊維等を固
定するのに、導電体塗料，導電性接着剤及び樹脂を充填
し、必要に応じて温度処理して固着するようにしたもの
である。また、同様の目的を達成するために請求項９に
記載のブラシでは、ピグテールとカーボン繊維の両者を
束ねて比抵抗の小さい電気導体としたものである。ま
た、同様の目的を達成するために請求項１０に記載のブ
ラシでは、ブラシ主部の比抵抗の大きさが、１５,００
０μΩcm 以上ブラシ材をブラシ主部に適用した場合に
本発明の構成を適用するようにしたことを特徴としてい
る。

【０００９】

【作用】本発明のブラシはブラシの比抵抗が大きいブラ
シ主部の内部の一部に、ブラシ内部のピグテールからブ
ラシ摺動面までの全長に渡って比抵抗の小さいカーボン
繊維等を電気導体にしてブラシ内部で固めて設け、かつ
ブラシの摩耗に従い摺動位置がずれるようにカーボン壁
面に対し斜めになるように構成しているのが特徴であ
る。このような構成ではカーボン繊維は通常のカーボン
に比して比抵抗が小さいのでブラシ内部の平均的な抵抗
値が減少するのでブラシ電流による電圧降下が減少し、
ブラシ電気損が小さくなる。また、ブラシ主部とカーボ
ン繊維が同じ炭素材であるため、ブラシの温度上昇によ
る熱膨脹の伸びの差異は小さく、さらに、ブラシ内部の
電流方向に対してカーボン繊維の方向を斜めにしている
ので、ブラシの摩耗に伴ってカーボン繊維が整流子面と
接触する位置が変るので、整流子面の電流集中による損
傷が軽減され、長時間に渡って安定した摺動接触状態を
維持することができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１ないし図６に
より説明する。

【００１１】図１は電気掃除機の電動送風機用モータ
に、本発明を適用した場合の一実施例を示したものであ
る。電動送風機のファン側はファン１０１，ディフュー
ザ102がケーシング１０３内に位置している。モータ側
は金属性のハウジング１とエンドブラケット２内で構成
している。

【００１２】本発明はモータ側に関してであり、モータ
の固定子はハウジング１内に固定子鉄心３と界磁巻線４
とで、界磁巻線４に電流を流すと界磁巻線起磁力により
主磁束を発生する役目をなす。固定子鉄心３の内周側に
はギャップを介して回転子５があり、回転子のシャフト
６はハウジング１とエンドブラケット２の軸心に設けた
軸受５ａ，５ｂに支承されており、シャフト６には整流
子７と電機子鉄心８が設けられ、電機子鉄心８のスロッ
ト８ａには電機子巻線９が巻回され、各コイルの両端は
各整流子片が絶縁されて円筒上に構成された整流子７に
接続されている。

【００１３】モータの端子間に交流電圧を印加するとモ
ータ電流は固定子の一方の界磁巻線４を介してブラシ保
持器１０の端子金具１１に至り、端子金具１１からピグ
テール１２を介してブラシ１３に流れ、回転子への電力
の授受は一方のブラシ１３と整流子７との機械的摺動接
触による通電で電機子巻線９に電流が流れ、他のブラシ
１３を介して、他の界磁巻線４を介して他の端子で閉じ
た電気回路を構成してモータの駆動力を得ている。本発
明はモータのブラシ構成に関しており、ブラシ１３はブ
ラシ保持器１０の中に径方向の動きが可能なように所定
のクリアランスを介し、ブラシ保持器内に設けた所定圧
力のブラシ押圧用巻ばね１４の圧力により整流子面に押
圧される。ブラシ１３には予め端子金具１１が設けら
れ、端子金具１１とブラシ１３の間は細い銅線を撚った
ピグテール１２で電気的に接続されており、ブラシ１３
とピグテール１２は銅粉止めされ、ピグテール１２と端
子金具１１は溶接されている。ピグテール１２の外周に
はばね材からなる巻ばね１４があり、端子金具１１とブ
ラシ１３の間でブラシ１３を所定の圧力で整流子７の表
面を押圧する構成になっている。通常、モータ運転時に
ブラシ１３に発生する損失は、ピグテール１２の抵抗
損、ピグテール１２とブラシの銅粉止め部１５の抵抗
損、ブラシ１３の内部の抵抗損及びブラシ摺動面の接触
電圧降下損と整流子７との摺動接触による摩擦損が発生
する。本発明のブラシはこれらの損失の内のブラシ１３
内部の抵抗損とブラシ摺動面の接触電圧降下損の低減を
図ることにある。このためブラシ１３の内部に比抵抗の
小さいカーボン繊維１６を設ける構成はブラシ主部の比
抵抗が小さい場合はブラシ内部の抵抗損の低減効果とし
て小さいので、ブラシ主部の材料の比抵抗値が１５,０
００μΩcm 以上とすることにより、ブラシ内部の抵抗
損低減とブラシ摺動面の接触電圧降下損の低減効果とが
顕著にすることができる。すなわち、本発明ではブラシ
１３を構成するブラシ主部の比抵抗値を１５,０００μ
Ωcm 以上とし、かつ、ブラシ１３のブラシ主部の内部
に比抵抗の小さいカーボン繊維１６を束ねて電流通路を
構成する。カーボン繊維１６はブラシ１３の内部にピグ
テール１２を銅粉止めするときにカーボン繊維１６の一
端も同時にブラシに固定する。なお、カーボン繊維の他
端はブラシ内部を貫通させて整流子７との接触面まで延
長させている。図２は図１に示したモータのブラシ１３
の拡大断面図で、電気掃除機用，電動工具用モータに適
用する本発明のブラシ構成の一実地例を示す。

【００１４】図２（ａ）はブラシ１３の側面断面図、
（ｂ）は正面断面図を示しており、ブラシ１３は比抵抗
が１５,０００μΩcm 以上のブラシ主部材を角棒の形状
にし、その概略中心位置の一端から他端に貫通した孔を
設け、その孔の一端側ではピグテール１２とカーボン繊
維１６とブラシ１３とを所定の寸法の範囲内で銅粉止め
部１５により固定し、カーボン繊維１６はブラシ１３の
電流方向である他端（ブラシ摺動面）まで長さ方向に延
ばす構成にしている。この構成ではブラシ１３の内部を
カーボン繊維が貫通しているので、ブラシ主部に対して
比抵抗が小さいためブラシ内部での平均的な抵抗値を減
少できる結果、ブラシ電流による抵抗損を低減できる。
またブラシ摺動面は整流子７に対し、ブラシ主部に囲ま
れた状態でカーボン繊維１６が接触するので、繊維状の
カーボンからの電流が整流子面と多くの接触面を持つこ
とができるので安定した摺動が可能となる。このため整
流子面を損傷することも無く、接触電圧降下も小さくす
ることができる。

【００１５】さらにカーボン繊維を予め金属メッキして
単独あるいは通常のカーボン繊維と金属メッキしたカー
ボン繊維を混在して用いることもできる。また、カーボ
ン繊維を束ねた後に金蔵メッキして用いても良い。

【００１６】図３は他の一実施例を示しており、図３
（ａ）はブラシ１３の側面断面図、（ｂ）は正面断面図
で図１と異なるのは図３（ｂ）の正面図では、ブラシ１
３内の貫通孔を整流子の軸方向に沿って、斜めに設けて
いる点にある。本発明の場合はブラシ１３とカーボン繊
維１６の摩耗が進行すると共に、貫通孔の位置が変るの
で整流子面とカーボン繊維との摺動位置も変る結果とな
り、整流子面の損傷を更に低減できることになる。

【００１７】図４は他の一実施例を示し、貫通孔を整流
子の回転方向に対して斜めに設けてカーボン繊維も、そ
の貫通孔の方向に向けるようにしている。この場合は回
転方向によりその効果が異なる。すなわち整流子の回転
方向が図示のＡ方向の場合はブラシの摩耗が進むにつれ
てモータの入力を減少できる効果がある。しかし整流子
の回転方向がＢの場合はブラシの摩耗が進むにつれてモ
ータの入力を増加できる効果がある。従って、必要とす
る効果が得られるようにカーボン繊維１６の方向を決め
ることができる。

【００１８】図５は他の一実施例で、ブラシ内部の貫通
孔は図２と同様であるが、ピグテール１２とカーボン繊
維１６とを銅粉止め部１５で固着するが、さらにピグテ
ール１２は銅粉止め部１５から摺動面までをピグテール
とカーボン繊維を撚りあわせたように、もしくは両繊維
をそのまま束ねて設けるような構成にしたことが特徴で
ある。この場合は、さらにブラシ内部の平均的な抵抗値
を小さくすることができるので抵抗損をさらに小さくす
ることができる。

【００１９】図６はブラシ１３の内部の貫通孔の中で、
ブラシ１３とピグテール１２を銅粉止め部１５で両者を
しっかり固定すると共に、ピグテール１２とカーボン繊
維１６もしくはカーボン繊維１６とブラシ１３の内部と
を銅粉１７を詰めて一体化する方式であり、貫通孔内の
カーボン繊維１６やピグテール１２をブラシ１３の主部
との固着がしっかりできるので、ブラシ内の平均的な抵
抗損を小さくできると共に、平均的な抵抗値の変動を小
さくでき、特性の安定したブラシ１３を得ることができ
る。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、電気掃除機や電動工具
用モータのように、整流性能上から比抵抗が１５,００
０μΩcm 以上と大きいブラシを用いるモータのブラシ
として比抵抗の小さいカーボン繊維をブラシ内に設けた
貫通孔内に挿入し、カーボン繊維を摺動面まで中心軸に
沿ってもしくは中心軸に沿って斜めに延ばして設ける構
成にしたことにより、ブラシの平均的な抵抗値を低減す
ることができる結果、ブラシの抵抗損が減少し、モータ
効率を１〜３％向上することができる。さらに、カーボ
ン繊維を低抵抗材として用いることにより、整流子面の
損傷を小さくすることができブラシ寿命を向上すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電気掃除機用電動送風
機の半断面図。

【図２】本発明の一実施例を示すブラシ内部にカーボン
繊維を用いたブラシの断面図。

【図３】本発明の他の一実施例を示すブラシ内部のカー
ボン繊維を電流方向に対し整流子の軸方向に斜めにした
場合のブラシの断面図。

【図４】本発明の他の一実施例を示すブラシ内部のカー
ボン繊維を電流方向に対し整流子の回転方向に斜めにし
た場合のブラシの断面図。

【図５】本発明の他の一実施例を示すブラシ内部のカー
ボン繊維とピグテールをブラシの全長に渡って設けた場
合のブラシの断面図。

【図６】本発明の他の一実施例を示すブラシ内部のカー
ボン繊維を銅粉で固着するようにしたブラシの断面図。

【符号の説明】

１…ハウジング、２…エンドブラケット、３…固定子鉄
心、４…界磁巻線、５…回転子、５ａ，５ｂ…軸受、６
…シャフト、７…整流子、８…電機子鉄心、９…電機子
巻線、１０…ブラシ保持器、１１…端子金具、１２…ピ
グテール、１３…ブラシ、１４…ブラシ押圧用巻ばね、
１６…カーボン繊維、１０１…ファン、１０２…ディフ
ューザ、１０３…ケーシング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊島 久則 茨城県日立市東多賀町一丁目１番１号 株 式会社日立製作所電化機器事業部多賀本部 内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】整流子と機械的な摺動接触を行いながら固
   定子から回転子巻線への電力の授受を行うブラシにおい
   て、比抵抗が大きいブラシ主部の中に、電流方向に沿う
   貫通孔を設け、ピグテールとブラシ固定部からブラシ摺
   動面に向かって設けた貫通孔内に比抵抗の小さい材料と
   して細い繊維状の径に比し軸長の長いカーボン繊維を比
   抵抗の小さい電気導体として、前記カーボン繊維の方向
   とブラシ内部電流方向が概略一致するように設けたこと
   を特徴とする単相交流整流子モータ用ブラシ。
2. 【請求項２】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部内の貫通孔の内部に設けるカーボン繊維は、通常の
   カーボン繊維、もしくは予め金属メッキしたカーボン繊
   維をそれぞれ単独に、或いは両者を混在させた単相交流
   整流子モータ用ブラシ。
3. 【請求項３】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部内の貫通孔の内部に設けるカーボン繊維は、カーボ
   ン繊維を束ねた後に金属メッキして用いる単相交流整流
   子モータ用ブラシ。
4. 【請求項４】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部の中に設けたカーボン繊維からなる比抵抗の小さい
   電気導体は、ブラシとピグテールの固定部でカーボン繊
   維とピグテールとを銅粉により一体に固めるようにした
   単相交流整流子モータ用ブラシ。
5. 【請求項５】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部の中に設けたカーボン繊維からなる比抵抗の小さい
   電気導体はブラシ摺動面に向かう前記電気導体の位置が
   ブラシの摩耗に伴い整流子の摺動面の軸方向に位置が移
   動するように、ブラシの電流方向に対して斜めになるよ
   うに設けた単相交流整流子モータ用ブラシ。
6. 【請求項６】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部の中に設けたカーボン繊維からなる比抵抗の小さい
   電気導体は前記ブラシの摺動面に向かう前記電気導体の
   位置が前記ブラシの摩耗に伴い整流子の摺動面の周方向
   に位置が移動するように、前記ブラシの電流方向に対し
   て斜めになるように設けた単相交流整流子モータ用ブラ
   シ。
7. 【請求項７】請求項１において、比抵抗の大きい前記ブ
   ラシの主部の中に設けたカーボン繊維からなる比抵抗の
   小さい電気導体とブラシ主部との一体化はカーボン粉、
   あるいは銅粉をピグテールとブラシの固定部からブラシ
   摺動面までの貫通孔内で、固められるような構成にした
   単相交流整流子モータ用ブラシ。
8. 【請求項８】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部の中に設けたカーボン繊維からなる比抵抗の小さい
   電気導体とブラシ主部との一体化はカーボン繊維内に導
   電体塗料、もしくは導電性接着材もしくは樹脂を充填し
   て固着するが、必要に応じて温度処理して固着させるよ
   うにした単相交流整流子モータ用ブラシ。
9. 【請求項９】請求項１において、比抵抗の大きいブラシ
   主部の中に設けた貫通孔に挿入されるピグテールとカー
   ボン繊維は撚りあわせた両者を束ねて、比抵抗の小さい
   電気導体とした単相交流整流子モータ用ブラシ。
10. 【請求項１０】請求項１において、ブラシ主部の比抵抗
    の大きさは、１５,０００μΩcm 以上のブラシ材を適用
    した単相交流整流子モータ用ブラシ。