WO2014002262A1 - 直流モータ - Google Patents

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Inventor
山本　仁史
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/14—Means for supporting or protecting brushes or brush holders
    • H02K5/143—Means for supporting or protecting brushes or brush holders for cooperation with commutators
    • H02K5/148—Slidably supported brushes

Definitions

  • the present invention relates to a DC motor that supplies power when a brush connected to a power source slides in contact with a rotating commutator.
  • a brush that is supplied with a DC current from an external power source comes into contact with the commutator and supplies power to the rotor coil.
  • This commutator has a segmented outer peripheral surface, and has a structure in which contact energization between the brush and each segment and energization from each segment to the coil are switched by rotation of the rotor.
  • a rectangular parallelepiped brush is urged toward the commutator side and comes into contact with the outer peripheral surface of the commutator, and slides on the same outer peripheral surface throughout the lifetime. Therefore, the tip shape of the brush wears over time, and changes between the initial state and the entire worn state after aging. Then, in the initial state, when the brush that is in contact with the optimum design point at which the noise level can be reduced most is worn due to aging, the brush comes into contact at a position deviated from the optimum design point, resulting in disturbance of rectification.
  • the shape of the brush is recessed on the opposite side of the commutator between the protrusions protruding from the commutator side at both ends in the rotational direction of the rotor.
  • the shape has a concave portion.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a DC motor that prevents deterioration of the contact state and improves reduction in motor performance and promotion of brush wear.
  • a DC motor includes a commutator that rotates integrally with a rotor around a rotating shaft, a brush that contacts and slides on the outer peripheral surface of the commutator, and an urging force that biases the brush toward the commutator.
  • the brush has a shape in which the contact point of the brush with the commutator is displaced in the direction of the rotation axis on the outer peripheral surface in accordance with the shape change due to wear of the end portion contacting the outer peripheral surface of the commutator. is there.
  • the contact is displaced in the direction of the rotation axis on the outer peripheral surface in accordance with the shape change due to the wear of the brush end portion that contacts the outer peripheral surface of the commutator, thereby causing deterioration such as surface roughness and fouling.
  • the contact point can be moved from the outer peripheral surface region to the outer peripheral surface region where no deterioration has occurred, and deterioration of the contact state can be prevented. Therefore, it is possible to provide a direct current motor with improved motor performance and improved brush wear.
  • FIG. 1 It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure of the direct-current motor which concerns on Embodiment 1 of this invention. It is a figure which shows the structure of the rectification
  • FIG. 1 It is a figure which shows the modification of the rectification
  • FIG. 1 It is a figure which shows the modification of the rectification
  • FIG. 1 It is a figure which shows the modification of the rectification
  • FIG. 1 A DC motor 1 shown in FIG. 1 includes a commutator 3 that is fixed to one end of a rotor 2 and rotates integrally with the rotor 2, a brush 4 that slides on the outer peripheral surface of the commutator 3, and a brush 4 that is connected to the commutator 3. It has a rectification part comprised from the spring (biasing member) 5 urging
  • the brush 4 and the spring 5 are accommodated in a brush holder 6.
  • the DC motor 1 has two brushes 4 on the positive electrode side and the negative electrode side.
  • a direct current supplied from an external power source via the power supply terminal 8 flows into the brush 4 on the positive electrode side via the lead wire 7 and is energized from the brush 4 to the commutator 3, it is rectified by the commutator 3. It is supplied to the coil 9 of the rotor 2.
  • a magnetic flux is generated by energizing the coil 9
  • a rotational force is generated in the rotor 2 by the action of the magnetic pole of the permanent magnet 11 fixed to the housing 10
  • the rotor 2 and the commutator 3 rotate about the rotation axis X.
  • the current flowing through the coil 9 flows from the commutator 3 to the brush 4 on the negative electrode side.
  • FIG. 2A shows a plan view of the rectification unit
  • FIGS. 2B, 3 and 4 show front views of the rectification unit.
  • 2 is an initial state in which the brush 4 is not worn
  • FIG. 3 is a contact displacement state in which the brush 4 is worn to the stepped portion 4a and the contact is displaced in the direction of the rotation axis X
  • conductive segments 3a to 3f are arranged along the circumferential direction. Each segment 3 a to 3 f is electrically connected to the coil 9 of the rotor 2.
  • Each brush 4 on the positive electrode side and the negative electrode side has a stepped shape having a stepped portion 4a, not a conventional rectangular parallelepiped shape.
  • the stepped portion 4a forms a step in the direction of the rotation axis X.
  • the stepped portion 4 a has a shape inclined with respect to the outer peripheral surface of the commutator 3. By making the stepped portion 4a into an inclined shape, the overall length of the brush 4 becomes longer than that of a conventional rectangular parallelepiped brush.
  • the brush 4 and the spring 5 are installed in the brush holder 6, and the spring 5 biases the rear end portion of the brush 4, so that the tip end portion of the brush 4 comes into pressure contact with the outer peripheral surface of the commutator 3. Therefore, as the commutator 3 rotates, the tip of the brush 4 is brought into contact with the segments 3a to 3f in turn and is electrically connected to the coil 9 of the rotor 2 connected to the segments 3a to 3f.
  • the brush holder 6 is a substantially rectangular parallelepiped hole that accommodates the brush 4 and the spring 5, and holds the posture of the brush 4 by abutting the inner wall surface with the brush 4. Further, a notch 6 a is formed on one surface of the brush holder 6, and a lead wire 7 that electrically connects the brush 4 and the power supply terminal 8 is drawn out.
  • the tip of the brush 4 slides in contact with the area indicated by hatching on the outer peripheral surface of the commutator 3. This region is referred to as a brush sliding surface A. Since the brush 4 is biased toward the commutator 3 by the spring 5, the brush 4 moves toward the commutator 3 as the tip part wears.
  • the contact area increases in the contact displacement state, improving the conductivity and the motor. Performance reduction can be suppressed.
  • the contact area increases while the urging force of the spring 5 remains the same, so the surface pressure is reduced and the brush 4 is less likely to be worn.
  • the DC motor 1 includes the commutator 3 that rotates integrally with the rotor 2 around the rotation axis X, and the brush that contacts and slides on the outer peripheral surface of the commutator 3. 4 and a spring 5 that urges the brush 4 toward the commutator 3.
  • the brush 4 has a stepped shape having a stepped portion 4 a in the direction of the rotation axis X, and contacts the outer peripheral surface of the commutator 3. The contact of the brush 4 with the commutator 3 is displaced on the outer peripheral surface in the direction of the rotation axis X in accordance with the shape change due to wear at the end.
  • the contact point of the brush 4 and the commutator 3 can be moved from the brush sliding surface A to the non-sliding brush sliding surface B along with aging. As a result, it is possible to prevent the contact state between the brush 4 and the commutator 3 from being deteriorated, and to improve the electrical conductivity, suppress the reduction in motor performance, and suppress the wear of the brush 4.
  • the stepped portion 4 a of the brush 4 is inclined with respect to the outer peripheral surface of the commutator 3. For this reason, the full length of the brush 4 becomes long compared with the conventional rectangular parallelepiped brush. As a result, it is possible to obtain a life extension effect against the wear of the brush 4 and to extend the life of the DC motor 1.
  • the brush 4 may have a shape other than that shown in FIGS.
  • modified examples of the brush 4 will be described with reference to FIGS.
  • the brush 4 shown in FIG. 5 has a stepped shape having a stepped portion 4a.
  • the brush 4 has an inclined surface 4b inclined with respect to the outer peripheral surface of the commutator 3 in addition to the stepped shape. .
  • the spring 5 biases the inclined surface 4b, the biasing direction becomes obliquely downward.
  • the brush 4 may rattle upward.
  • the urging direction is inclined downward, which has an effect of suppressing rattling by pressing the lower surface of the brush 4 against the brush holder 6 even in a contact change state.
  • the brush 4 shown in FIG. 6 has a stepped shape having a stepped portion 4 a, and the stepped portion 4 a is formed in parallel with the outer peripheral surface of the commutator 3.
  • the contact between the commutator 3 and the brush 4 can be displaced with the wear of the brush 4 as in the case of the brush 4 shown in FIGS. Therefore, it is possible to prevent the contact state between the brush 4 and the commutator 3 from being deteriorated, and it is possible to improve the conductivity, suppress the decrease in motor performance, and suppress the wear of the brush 4.
  • the brush 4 shown in FIG. 7 has a substantially rectangular parallelepiped shape, not a stepped shape, and is installed in an inclined state with respect to the outer peripheral surface of the commutator 3. Also in this configuration, like the brush 4 shown in FIGS. 1 to 4, the contact between the commutator 3 and the brush 4 can be displaced as the brush 4 wears, and the continuity due to the deterioration of the contact state is achieved. It is possible to suppress the deterioration of the motor performance and the motor performance. In addition, by installing the brush 4 in an inclined state, the overall length of the brush 4 can be increased compared to the case where a rectangular parallelepiped brush is installed perpendicularly to the outer peripheral surface of the commutator 3 as in the prior art. Thus, the life of the brush 4 can be prolonged and the life of the DC motor 1 can be extended.
  • any constituent element of the embodiment can be modified or any constituent element of the embodiment can be omitted within the scope of the invention.
  • the spring 5 is used as an example of a member that biases the brush 4, but the present invention is not limited to this, and any biasing member such as a leaf spring can be used.
  • the DC motor 1 to which the brush 4 of the first embodiment is applied is not limited to the configuration shown in FIG.
  • the direct current motor according to the present invention prevents the deterioration of the contact state between the brush and the commutator and improves the durability, so that the brush comes into contact with and slides on the outer peripheral surface of the commutator. Suitable for use in DC motors.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Current Collectors (AREA)

Abstract

　段部４ａを有する段付き形状のブラシ４は、スプリング５に付勢されて、回転軸Ｘを中心にして回転する整流子３の外周面に接触して摺動する。初期、ブラシ４の先端部が整流子３のブラシ摺動面Ａに接触する。経年変化によりブラシ４が磨耗すると、段部４ａが整流子３に接触し、磨耗に伴って接点がブラシ摺動面Ａから未摺動のブラシ摺動面Ｂへ変位する。

Description

直流モータ
　この発明は、電源に接続したブラシが、回転する整流子に接触して摺動することにより給電する直流モータに関する。
　従来の、整流子とロータが一体構造となっているブラシ付き直流モータにおいて、外部電源から直流電流の供給を受けるブラシが整流子に接触して通電し、整流子からロータのコイルへ給電する。この整流子は外周面がセグメント化されており、ロータの回転により、ブラシと各セグメントとの接触通電の切り替え、および各セグメントからコイルへの通電の切り替えを行う構造である。
　このような直流モータにおいては、直方体状のブラシが整流子側に付勢されてこの整流子の外周面に接触し、生涯、同一外周面上を摺動する。そのため、ブラシの先端形状は、時間が経つにつれて磨耗していき、初期状態と経年変化後の全磨耗状態とで変化する。すると、初期状態では、ノイズレベルが最も低減できる最適設計点に接触しているブラシが、経年変化によって磨耗すると、最適設計点からずれた位置で接触するようになり、整流の乱れが生じる。この問題を解決する為に、例えば特許文献１では、ブラシの形状を、ロータの回転方向の両端で整流子側に突き出ている突起部と、突起部の間で整流子とは反対側に窪む凹部とを有する形状にしていた。これにより、初期状態と全磨耗状態のいずれの場合においても突起部が整流子に接触するようになり、位置ずれが生じず、整流の乱れを抑制することが可能となる。
特開２０１１－７２０５０号公報
　上記特許文献１を含む従来の直流モータでは、ブラシが整流子の同一外周面上を摺動するため、整流子の外周面に面荒れおよび汚損が生じていき、時間が経つにつれてブラシと整流子の接触状態が悪化する。ブラシと整流子は接触通電する為、接触状態が悪化すると、導通性の低下によりモータ性能が低下したり、ブラシの磨耗が促進されたりするという課題があった。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、接触状態の悪化を防ぎ、モータ性能の低下およびブラシ磨耗の促進を改善した直流モータを提供することを目的とする。
　この発明の直流モータは、回転軸を中心にして、ロータと一体に回転する整流子と、整流子の外周面に接触して摺動するブラシと、ブラシを整流子側へ付勢する付勢部材とを備え、ブラシは、整流子の外周面に接触する端部の、磨耗による形状変化に伴い、整流子に対するブラシの接点が当該外周面上を回転軸方向に変位する形状にしたものである。
　この発明によれば、整流子の外周面に接触するブラシ端部の磨耗による形状変化に伴って、接点が外周面上を回転軸方向に変位することにより、面荒れおよび汚損等の劣化が生じた外周面領域から劣化の生じていない外周面領域へ接点を移動することができ、接触状態の悪化を防止することができる。よって、モータ性能の低下およびブラシ磨耗の促進を改善した直流モータを提供することができる。
この発明の実施の形態１に係る直流モータの構成を示す縦断面図である。 実施の形態１に係る直流モータに用いる整流部の構成を示す図であり、初期状態を表す。 実施の形態１に係る直流モータに用いる整流部の構成を示す図であり、接点変位状態を表す。 実施の形態１に係る直流モータに用いる整流部の構成を示す図であり、全磨耗状態を表す。 実施の形態１に係る直流モータに用いる整流部の変形例を示す図である。 実施の形態１に係る直流モータに用いる整流部の変形例を示す図である。 実施の形態１に係る直流モータに用いる整流部の変形例を示す図である。
　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１に示す直流モータ１は、ロータ２の一端側に固着されロータ２と一体に回転する整流子３、整流子３の外周面上を摺動するブラシ４、およびブラシ４を整流子３の方向へ付勢するスプリング（付勢部材）５から構成される整流部を有する。これらブラシ４およびスプリング５は、ブラシホルダ６に収容されている。
　図１では隠れて見えないが、直流モータ１には、正極側および負極側の２個のブラシ４が設置されている。給電端子８を介して外部電源から供給される直流電流が、リード線７を介して正極側のブラシ４へ流入し、ブラシ４から整流子３へ通電されると、整流子３で整流され、ロータ２のコイル９に供給される。コイル９への通電により磁束が発生すると、ハウジング１０に固定された永久磁石１１の磁極の作用でロータ２に回転力が発生し、回転軸Ｘを中心にしてロータ２と整流子３が回転する。また、コイル９に流れた電流は、整流子３から負極側のブラシ４へ流れる。
　次に、整流部の詳細を説明する。
　図２（ａ）に整流部の平面図を示し、図２（ｂ）、図３および図４に整流部の正面図を示す。この図２はブラシ４が磨耗していない初期状態、図３はブラシ４が段部４ａまで磨耗して接点が回転軸Ｘの方向へ変位する接点変位状態、図４はスプリング５がのびきるまでブラシ４が磨耗した全磨耗状態を表している。
　整流子３の外周面には、導電性のセグメント３ａ～３ｆが周方向に沿って配置されている。各セグメント３ａ～３ｆはロータ２のコイル９に電気的に接続されている。
　正極側および負極側の各ブラシ４は、従来のような直方体形状ではなく、段部４ａを有する段付き形状とする。ブラシ４を、その長手方向が回転軸Ｘの直交方向に沿うよう設置した場合に、段部４ａが回転軸Ｘの方向に段差を形成する。なお、図示例では、段部４ａを、整流子３の外周面に対して傾斜した形状とする。段部４ａを傾斜形状にすることで、従来のような直方体形状のブラシに比べて、ブラシ４の全長が長くなる。このブラシ４とスプリング５とがブラシホルダ６内に設置されており、ブラシ４の後端部をスプリング５が付勢することによって、ブラシ４の先端部が整流子３の外周面に圧接する。従って、ブラシ４の先端部が、整流子３の回転に伴って、順番にセグメント３ａ～３ｆと接触して導通し、各セグメント３ａ～３ｆと接続しているロータ２のコイル９へ通電する。
　ブラシホルダ６は、ブラシ４とスプリング５とを収容する略直方体形状の穴であり、その内壁面をブラシ４に当接してブラシ４の姿勢を保持している。また、ブラシホルダ６の一面には切欠部６ａが形成されており、ブラシ４と給電端子８とを電気的に接続するリード線７が引き出されている。
　図２に示す初期状態においては、ブラシ４の先端部が、整流子３の外周面のうち、斜線で示す領域に接触して摺動する。この領域をブラシ摺動面Ａとする。ブラシ４は、スプリング５によって整流子３側へ付勢されているため、先端部の磨耗に伴って整流子３側へ移動していく。
　経年変化によりブラシ４が磨耗し、図３に示すように段部４ａが整流子３の外周面に接触して摺動する接点変位状態になると、段部４ａが整流子３の外周面に対して傾斜しているため、ブラシ４と整流子３の接点が磨耗に伴って回転軸Ｘの方向へ、即ちブラシ摺動面Ａから未摺動のブラシ摺動面Ｂへ変位していく。この接点変位状態においては、段部４ａが整流子３の外周面に対して傾斜しているため、図３に斜線で示した整流子３とブラシ４の摺動領域の面積が、図２に斜線で示したブラシ摺動面Ａ（および後述する図４に斜線で示すブラシ摺動面Ｂ）の面積より増加する。そのため、整流子３のブラシ摺動面Ａに面荒れおよび汚損等の劣化が生じて接触状態が悪化したとしても、接点変位状態においては接触面積が増加することになり、導通性の向上およびモータ性能の低下抑制が可能となる。また、この接点変位状態においては、スプリング５の付勢力は同じまま接触面積が増加するため、面圧が小さくなり、ブラシ４が磨耗し難くなる。
　経年変化によりブラシ４がさらに磨耗し、図４に示す全磨耗状態になると、ブラシ４の後端部が、整流子３の外周面のうち、斜線で示す領域に接触して摺動する。この領域をブラシ摺動面Ｂとする。このように、経年変化によるブラシ４の磨耗を利用して、整流子３とブラシ４との接点をブラシ摺動面Ａからブラシ摺動面Ｂへ変位させる。これにより、直流モータ１の寿命前半において、経年変化によりブラシ摺動面Ａに面荒れおよび汚損等の劣化が生じたとしても、寿命後半においては劣化の無いブラシ摺動面Ｂ上をブラシ４が摺動する。よって、経年変化による接触状態の悪化を防止できるようになり、導通性の悪化およびモータ性能低下を改善することができる。また、接触状態悪化の防止により、ブラシ４が磨耗し難くなり、直流モータ１の長寿命化が可能となる。
　以上より、実施の形態１によれば、直流モータ１は、回転軸Ｘを中心にして、ロータ２と一体に回転する整流子３と、整流子３の外周面に接触して摺動するブラシ４と、ブラシ４を整流子３側へ付勢するスプリング５とを備え、ブラシ４は、回転軸Ｘの方向に段部４ａを有する段付き形状にして、整流子３の外周面に接触する端部の、磨耗による形状変化に伴い、整流子３に対するブラシ４の接点が外周面上を回転軸Ｘの方向に変位するよう構成した。このため、ブラシ４と整流子３の接点を、経年変化に伴って、ブラシ摺動面Ａから未摺動のブラシ摺動面Ｂへ移動させることができる。その結果、ブラシ４と整流子３の接触状態の悪化を防止でき、導通性の向上、モータ性能の低下抑制、およびブラシ４の磨耗抑制が可能となる。
　また、実施の形態１によれば、ブラシ４の段部４ａは、整流子３の外周面に対して傾斜した形状にした。このため、従来のような直方体形状のブラシに比べて、ブラシ４の全長が長くなる。その結果、ブラシ４の磨耗に対する延命効果を得ることができ、直流モータ１の長寿命化が可能となる。
　なお、ブラシ４は、図１～図４に示す以外の形状であってもよい。以下、ブラシ４の変形例を、図５～図７を用いて説明する。
　図５に示すブラシ４は、段部４ａを有する段付き形状であるが、これに加えて、ブラシ４の後端部を整流子３の外周面に対して傾斜させた傾斜面４ｂにしている。この傾斜面４ｂをスプリング５が付勢することにより、付勢方向が斜め下向きになる。
　図３に示したような接点変位状態においては、ブラシホルダ６がブラシ４の上面を保持できないため、ブラシ４が上方向にがたつく可能性があった。これに対して、図５に示すように付勢方向を斜め下向きにすることで、接点変化状態でもブラシ４の下面をブラシホルダ６に押圧してがたつきを抑制する効果がある。
　図６に示すブラシ４は、段部４ａを有する段付き形状であるが、この段部４ａを整流子３の外周面と平行に形成している。この構成の場合にも、図１～図４に示したブラシ４と同様に、ブラシ４の磨耗に伴って整流子３とブラシ４の接点を変位させることができる。そのため、ブラシ４と整流子３の接触状態の悪化を防止でき、導通性の向上、モータ性能の低下抑制、およびブラシ４の磨耗抑制が可能となる。
　なお、図６に示す形状のブラシ４の場合、初期状態および全磨耗状態における接触面積と、接点変位状態における接触面積との差が大きいため、コイル９への通電特性が変化する可能性がある。そこで、特性の変化を低減するために、段部４ａの幅Ｗを狭くし、段部４ａが整流子３に接触する期間を短縮することが望ましい。
　図７に示すブラシ４は、段付き形状ではなく、略直方体形状とし、整流子３の外周面に対して傾斜した状態に設置している。この構成の場合にも、図１～図４に示したブラシ４と同様に、ブラシ４の磨耗に伴って整流子３とブラシ４の接点を変位させることができ、接触状態の悪化による導通性の悪化およびモータ性能の低下抑制が可能となる。
　また、ブラシ４を傾斜した状態に設置したことにより、従来のように直方体形状のブラシを整流子３の外周面に対して垂直に設置する場合に比べて、ブラシ４の全長を長くすることができ、ブラシ４の磨耗に対する延命および直流モータ１の長寿命化が可能となる。
　なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
　例えば、図１～図７ではブラシ４を付勢する部材の一例としてスプリング５を使用したが、これに限定されるものではなく、板ばね等、任意の付勢部材を使用可能である。
　また例えば、本実施の形態１のブラシ４を適用する直流モータ１は、図１に示す構成に限定されるものではない。
　以上のように、この発明に係る直流モータは、ブラシと整流子の接触状態の悪化を防止して、耐久性を高めたので、整流子の外周面にブラシが接触して摺動するブラシ付き直流モータに用いるのに適している。
　１　直流モータ、２　ロータ、３　整流子、３ａ～３ｆ　セグメント、４　ブラシ、４ａ　段部、４ｂ　傾斜面、５　スプリング、６　ブラシホルダ、６ａ　切欠部、７　リード線、８　給電端子、９　コイル、１０　ハウジング、１１　永久磁石。

Claims (3)

  1. 　回転軸を中心にして、ロータと一体に回転する整流子と、
    　前記整流子の外周面に接触して摺動するブラシと、
    　前記ブラシを前記整流子側へ付勢する付勢部材とを備え、
    　前記ブラシは、前記整流子の外周面に接触する端部の、磨耗による形状変化に伴い、前記整流子に対する前記ブラシの接点が当該外周面上を前記回転軸方向に変位する形状であることを特徴とする直流モータ。
  2. 　前記ブラシは、前記回転軸方向に段部を有する段付き形状であることを特徴とする請求項１記載の直流モータ。
  3. 　前記段部は、前記整流子の外周面に対して傾斜した形状であることを特徴とする請求項２記載の直流モータ。
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