JP6138119B2 - 直流モータ - Google Patents

Description

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であり、かつ回転軸方向に段部を１箇所のみに有し、ブラシの接点が変位する状態において接触面積を増加させる段付き形状であり、段部は、整流子の外周面に対して傾斜した形状であり、ブラシの接点は、ブラシの先端部が接触する整流子における領域である第１のブラシ摺動面から、ブラシの後端部が接触する整流子における領域であって第１のブラシ摺動面とは重複しない第２のブラシ摺動面に変位する。

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。

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。

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 (2)

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り、かつ前記回転軸方向に段部を１箇所のみに有し、前記ブラシの接点が変位する状態において接触面積を増加させる段付き形状であり、
   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り、
   前記ブラシの接点は、前記ブラシの先端部が接触する前記整流子における領域である第１のブラシ摺動面から、前記ブラシの後端部が接触する前記整流子における領域であって前記第１のブラシ摺動面とは重複しない第２のブラシ摺動面に変位することを特徴とする直流モータ。
2. 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り、かつ前記回転軸方向に段部を１箇所のみに有し、前記ブラシの接点が変位する状態において接触面積を増加させる段付き形状であり、
   前記段部は、前記整流子の外周面と平行な形状であり
   前記ブラシの接点は、前記ブラシの先端部が接触する前記整流子における領域である第１のブラシ摺動面から、前記ブラシの後端部が接触する前記整流子における領域であって前記第１のブラシ摺動面とは重複しない第２のブラシ摺動面に変位することを特徴とする直流モータ。

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