(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
この回転軸が中心に挿置されている多数の積層板からなり、外周部に複数のスロットが形成された電機子鉄心と、
これらのスロットに中間部が嵌め込まれてこの電機子鉄心にかしめ固定され互いに接続された複数のコイル片からなり、軸長方向の一端面に整流子を形成している電機子コイルと、
を有する回転電機の電機子において、
前記電機子鉄心は、その軸長方向の全長のうち前記整流子側の端面から半分以内の所定位置に、他の部分よりも強固に各前記コイル片を固定する固定部をもつ、
ことを特徴とする電機子。
【請求項２】
前記固定部は、前記積層板のうち前記整流子側の端部から少なくとも一枚を空けて形成されている、
請求項１記載の電機子。
【請求項３】
前記固定部は、前記電機子鉄心がその外周面から所定の幅で帯状により強くかしめられた小径かしめ部である、
請求項１記載の電機子。
【請求項４】
前記小径かしめ部は、前記電機子鉄心の他の部分の外径に対して０．０８％〜０．６％だけ小さい外径をもつ、
請求項３記載の電機子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転電機の技術分野に属し、より詳しくは端面に整流子をもつ電機子の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、特開平９−５１６４５号公報に開示された回転電機の電機子がある。この電機子では、電機子コイルの一端面に整流子が形成されている。そして、各上層コイル片４は、整流子３１側で硬質樹脂からなる略円盤状の絶縁スペーサ７１と互いに嵌合し、整流子３１側での各上層コイル片４の軸長方向の動きが規制されている。それゆえ、従来技術の電機子では、ブラシ８が摺接する整流子面３１ａに段差が生じることが、ある程度までは抑制されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来技術では、整流子面の段差を抑制する絶縁スペーサがない旧来の電機子よりはずっと改善されているものの、まだある程度大きな段差が整流子面３１ａに生じていた。すなわち、一例として小型自動車用スタータモータの電機子を挙げると、その外径が５０ｍｍ程度で電機子鉄心の全長が３０ｍｍ程度であるが、スタータの始動を繰り返すことにより、約２０μｍの段差が整流子面３１ａに生じていた。ここで、整流子面３１ａの段差は、スタータモータの運転試験の後、モータを分解して冷えた状態で計っているので、実際の運転中にはもっと大きな段差が生じている可能性がある。
【０００４】
整流子面３１ａの段差が大きいと、ブラシ８の摩耗が促進されブラシ８の寿命が短くなるばかりではなく、整流子３１とブラシ８との間の抵抗損失が増え、加熱による不具合や回転電機の性能低下にもつながりかねず、不都合である。
【０００５】
そこで本発明は、整流子面の段差がよりいっそう低減された電機子を提供することを解決すべき課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、発明者らは、回転電機を運転すると電機子の整流子面に段差が生じる原因について考察を重ねた。その結果、各上層コイル片が発熱して短時間のうちに昇温するうえに、銅製の上層コイル片と積層板製の電機子鉄心と間で線膨張率差があることだけが、整流子面の段差の原因ではないことに思い至った。
【０００７】
すなわち、整流子を形成する上層コイル片が熱膨張によって伸びて電機子鉄心との間に滑り変位が生じるが、滑り変位が各上層コイル片の間で一様であれば、整流子面には段差が生じない。各上層コイル片の間で整流子面に段差が生じるのは、滑り変位の起点が各上層コイル片の間で一様ではなく、それ故に、熱膨張によって整流子面に起きる変位のストロークも一様ではないからであることに思い至った。
【０００８】
そればかりではなく、各上層コイル片が電機子鉄心のスロット内にかしめられて固定されている強さが、軸長方向に沿ってほぼ一様であるので、熱膨張と熱収縮とで各上層コイル片が電機子鉄心に固定されている部分が異なる場合もあり得ることに思い至った。すなわち、各上層コイル片がそれぞれに熱膨張と熱収縮とを繰り返すうちに、あたかもミミズが伸縮しながら移動するように、各上層コイル片が少しずつ電機子鉄心に対してずれていき、所定の範囲でランダムウォークに似た変位を繰り返すものと推察される。このように考えると、回転電機の運転を終えて回転子が冷えてしまった後でも整流子面に大きな段差を生じていることが、合理的に説明される。
【０００９】
そこで発明者らは、以上の洞察に基づいて整流子面の段差の発生に対する対策を考え、以下の手段を発明するに至った。
【００１０】
（第１手段）
本発明の第１手段は、請求項１記載の電機子である。すなわち、電機子鉄心は、軸長方向の所定位置に、他の部分よりも強固に各コイル片を固定する固定部をもつ。
【００１１】
本手段では、各コイル片が熱膨張および熱収縮をしても各コイル片は固定部で強固に保持されているので、固定部では電機子鉄心と各コイル片との間に滑り変位が生じない。それゆえ、回転電機の運用期間中、各コイル片が繰り返し熱膨張および熱収縮を起こしても、各コイル片の軸長方向の位置は固定部では電機子鉄心に対して変わらず、各コイル片が電機子鉄心に対して軸長方向にずれていくことは防止される。その結果、回転電機を長期間運用しても、本手段の電機子においては、整流子面にあまり段差が生じることがない。
【００１２】
しかも、軸長方向の所定位置で各コイル片が電機子鉄心に固定されているので、固定部と整流子との間の各コイル片の長さが互いに一様である。それゆえ、回転電機の運転時に各コイル片が熱膨張した際にも、各コイル片が均一に整流子面の変位を生じるので、回転電機の運転中にも整流子面にあまり段差が生じることがない。
【００１３】
したがって、本手段の電機子によれば、回転電機の運転中にも回転電機の長期間運用後にも、整流子面に生じる段差が大幅に低減されるという効果がある。その結果、ブラシの寿命が延びて整備コストが低減されるばかりではなく、整流子とブラシとの接続抵抗が減って回転電機の性能もいくらか向上するという効果がある。
【００１４】
（第２手段）
本発明の第２手段は、請求項２記載の電機子である。すなわち本手段は、前述の第１手段において、固定部は、電機子鉄心の全長のうち整流子側の端面から半分以内にあることを特徴とする。
【００１５】
前述の第１手段において、固定部において各コイル片は電機子鉄心に強固に固定されているとはいうものの、固定部と整流子との間の距離はなるべく短い方が好ましい。なぜならば、両者の距離が長いと、電機子鉄心と各コイル片との間に作用する摩擦力の不均一など各種の要因により、いくらか熱膨張によって整流子面に段差が生じる可能性があるからである。
【００１６】
そこで本手段では、固定部の位置が整流子側からあまり遠くてはいけないという限定を加え、前述の第１手段の作用効果が十全に発揮され得るようにした。
【００１７】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果がより有効に発揮されるという効果がある。
【００１８】
（第３手段）
本発明の第３手段は、請求項３記載の電機子である。すなわち本手段は、前述の第２手段において、固定部は、積層板のうち整流子側の端部から少なくとも一枚を空けて形成されていることを特徴とする。
【００１９】
第２手段の項で、固定部と整流子との間の距離はなるべく短い方がよいとは述べたものの、固定部が電機子鉄心の整流子側の端部にあると、端部ゆえの不都合が起きることがある。たとえば、固定部が電機子鉄心を外周面から強くかしめて形成される場合には、強くかしめた固定部にさらに整流子部分から強い遠心力がかかるので、各コイル片を包んで電機子鉄心と絶縁する絶縁紙が電機子鉄心の端部で破れるという不都合が起きる恐れがある。
【００２０】
そこで本手段では、固定部は、電機子鉄心の端部にはなく、同端部から積層板の少なくとも一枚を空けて形成されているので、このような不都合が起きる可能性が低減される。
【００２１】
したがって本手段によれば、前述の第２手段の効果に加えて、固定部が電機子鉄心の整流子側の端部にないので、端部ゆえの不都合が防止されるという効果がある。
【００２２】
（第４手段）
本発明の第４手段は、請求項４記載の電機子である。すなわち本手段は、前述の第１手段において、固定部は、電機子鉄心がその外周面から所定の幅で帯状により強くかしめられた小径かしめ部であることを特徴とする。
【００２３】
本手段では、従来通りの電機子が組み立てられた状態で、最後に電機子鉄心の外周面にローラを当てるなどして電機子を一周させれば固定部が形成されるので、固定部の形成が極めて容易である。それゆえ、従来通りの電機子の部品を使い、小径かしめ部を形成するかしめ工程以外は従来通りの電機子の製造方法で、本手段の電機子を製造することができるので、電機子の製造コストがほとんど上昇しないという効果がある。
【００２４】
したがって本手段によれば、前述の第１手段の効果が得られながら、固定部の形成が極めて容易であるので、電機子の製造コストがほとんど上昇しないという効果がある。
【００２５】
（第５手段）
本発明の第５手段は、請求項５記載の電機子である。すなわち本手段は、前述の第４手段において、小径かしめ部は、電機子鉄心の他の部分の外径に対して０．０８％〜０．６％だけ小さな外径をもつことを特徴とする。
【００２６】
発明者らが試行錯誤したところ、小径かしめ部の外径が、電機子鉄心の外径に対して０．０８％未満しか小さくなっていないと、かしめ深さが不足していた。すなわち、かしめ代が小さすぎて小径かしめ部で十分なかしめ固定の強さが得られず、固定部としての作用が十分に得られないことが分かった。
【００２７】
また、逆に小径かしめ部の外径が、電機子鉄心の他の部分の外径に対して０．６％を越えて小さくなっていると、かしめによる変形が大きくなりすぎであることが分かった。すなわち、かしめ深さが大きすぎると、小径かしめ部で絶縁紙が破れてしまい、コイル片と電機子鉄心との間で絶縁不良が起きかねないことが分かった。
【００２８】
そこで本手段では、小径かしめ部のかしめ固定の深さを適正範囲に限定することにより、十分な固定作用が得られながら絶縁不良などの不都合が起きることがないようになった。しかも、この程度の範囲であればトレーランスが比較的大きいので、小径かしめ部を形成するかしめ工程の加工精度にあまり厳しさが要求されず、電機子の製造コストが上昇することはほとんどない。
【００２９】
したがって本手段によれば、前述の第４手段の効果に加えて、製造コストの上昇なしに絶縁不良などの不都合を防止することができるという効果がある。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の電機子の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
【００３１】
［実施例１］
（実施例１の構成）
本発明の実施例１としての電機子は、図１に示すように、回転軸１と、電機子鉄心２と、上層コイル片４および下層コイル片５からなる電機子コイル３とを有する。
【００３２】
電機子鉄心２は、回転軸１が中心に挿置されている多数の積層板からなり、外周部に複数のスロット２０（図２参照）が形成された軟磁性積層体である。本実施例は、小型自動車用スタータモータの電機子であって、その電機子鉄心２の大きさは全長３０ｍｍ程度、直径５０ｍｍ程度である。電機子鉄心２は、薄い鋼板（ラミネーション）が多数枚、軸長方向に積層されて構成されている。
【００３３】
電機子コイル３は、電機子鉄心２のスロット２０に中間部４０，５０が嵌め込まれてこの電機子鉄心２にかしめ固定され互いに接続された複数の上層コイル片４および下層コイル片５からなり、軸長方向の一端面に整流子３１を形成している。すなわち、上層コイル片４の整流子端部４１は、回転軸１の軸心を法線とする平面内に、円盤状の整流子面３１ａを形成しており、回転電機に組み上がった状態では整流子面３１ａに複数のブラシが摺接する。
【００３４】
なお、上層コイル片４および下層コイル片５の中間部４０，５０は、図２に示すように、絶縁紙６に包まれて電機子鉄心２のスロット２０に収容されており、遠心力で飛び出すことがないように爪状の突起部２１を折り曲げて固定されている。
【００３５】
各上層コイル片４および各下層コイル片５は、再び図１に示すように、それぞれ電機子鉄心２のスロット２０内に収容された中間部４０，５０と、先端部で互いに溶接された整流子端部４１，５１と、やはり先端部で互いに溶接された他端部４２，５２とからなる。各上層コイル片４の中間部４０は、その両端部でそれぞれ樹脂製の絶縁スペーサ７１，７２に嵌合しており、軸長方向の変位の差が互いに大きくならないように規制されている。各上層コイル片４の中間部４０の両端と両絶縁スペーサ７１，７２とが嵌合する構成は、前述の特開平９−５１６４５号公報に開示されている構成と同様である。ただし、本実施例の電機子では、各上層コイル片４の中間部４０の両端がそれぞれ絶縁スペーサ７１，７２に嵌合しているので、電機子コイル３の両端部で段差が低減されている。
【００３６】
電機子鉄心２は、前述のように突起部２１を折り曲げてコイル片４，５をスロット２０内に収容している（図２参照）だけではなく、軸長方向の所定位置に、他の部分よりも強固に各コイル片４，５を固定する固定部としての小径かしめ部２２をもつ。
【００３７】
すなわち、図１とその要部拡大図である図３とに示すように、電機子鉄心２の固定部は、電機子鉄心２がその円筒面状の外周面２ａから所定の幅で帯状により強くかしめられた小径かしめ部２２である。小径かしめ部２２は、電機子が組み立てられて外周面２ａが円筒面状に整形された後、電機子が回転軸１を軸支されて回転駆動され、電機子鉄心２の外周面２ａの軸長方向の一部にローラが所定の深さで押し当てられて、かしめにより形成されている。
【００３８】
ここで、小径かしめ部２２は、外径で他の部分よりも０．０４ｍｍ〜０．３ｍｍの範囲で小さく形成されている。すなわち、小径かしめ部２２は、電機子鉄心２の他の部分の外径に対して０．０８％〜０．６％だけ小さい外径をもつ。発明者らの試験によれば、小径かしめ部２２がこの範囲のかしめ深さ形成されていれば、絶縁紙６が破らない範囲で十分に強固なかしめ固定作用が得られる。
【００３９】
また、小径かしめ部２２は、電機子鉄心２の整流子３１側の端部から数枚のラミネーションを空けて、数枚のラミネーションの範囲で（すなわち３ｍｍ程度の幅で）帯状に形成されている。したがって、小径かしめ部２２は、電機子鉄心２の全長のうち整流子３１側の端面から半分以内にあり、積層板のうち整流子３１側の端部から少なくとも一枚を空けて形成されている。発明者らの試験によれば、このような配置で小径かしめ部２２が形成されていれば、上層コイル片４および下層コイル片５の整流子端部４１，５１にかかる遠心力によって絶縁紙６が破れるような不都合は、起きることがない。また、この程度の軸長方向の幅で小径かしめ部２２が形成されていれば、十分に強固に上層コイル片４の中間部４０を固定できるだけではなく、その熱膨張の起点を十分に狭い範囲に規制することができる。
【００４０】
（実施例１の作用効果）
本実施例の電機子は、以上のように構成されているので、以下のような作用効果を発揮する。
【００４１】
すなわち、本実施例の電機子では、各コイル片４，５が熱膨張および熱収縮をしても各コイル片４，５は固定部としての小径かしめ部２２で電機子鉄心２に強固に固定されている。それゆえ、小径かしめ部２２では、電機子鉄心２と各コイル片４，５との間に滑り変位が生じず、各コイル片４，５の中間部４０，５０は、小径かしめ部２２を起点として熱膨張および熱収縮する。それゆえ、回転電機の運用期間中、各コイル片４，５が繰り返し熱膨張および熱収縮を起こしても、各コイル片４，５の軸長方向の位置は、小径かしめ部２２では電機子鉄心２に対して変わらず、各コイル片４，５が電機子鉄心２に対して軸長方向にずれていくことは防止される。
【００４２】
その結果、回転電機を長期間運用しても、本実施例の電機子においては、整流子面３１ａにあまり段差が生じることがない。具体的には、前述の諸元をもつ本実施例の電機子では、スタータモータの運転試験後、スタータモータを分解して電機子を取り出し、同心円度計で整流子面３１ａの段差を測定したところ、最大でも数μｍの大きさであった。すなわち、前述の従来技術による電機子でも２０μｍ程度にしか抑制できなかった整流子面３１ａの段差が、その三分の一ないし四分の一に大きく抑制されている。
【００４３】
しかも、本実施例の電機子では、軸長方向の所定位置にある小径かしめ部２２で各コイル片４，５が電機子鉄心５によって固定されているので、小径かしめ部２２と整流子３１との間の各コイル片４，５の長さが互いに一様である。それゆえ、停止時にだけではなく、回転電機の運転時に各コイル片４，５が熱膨張した際にも、各コイル片４，５が均一に整流子面３１ａの変位を生じるはずである。それゆえ、回転電機の運転中にも整流子面３１ａには、あまり段差が生じることがないものと推定される。
【００４４】
また、本実施例の電機子では、前述のように、従来技術と同様に電機子が組み立てられた状態で、最後に電機子鉄心２の外周面に段付きパンチを当てて小径かしめ部２２が形成されている。それゆえ、小径かしめ部２２の形成が極めて容易かつ安価になされている。すなわち、本実施例の電機子は、絶縁スペーサ７２以外は従来技術とおおむね同様の電機子の部品を使い、小径かしめ部２２を形成するかしめ工程以外は従来技術とおおむね同じの電機子の製造方法で製造されている。その結果、電機子の製造コストがほとんど上昇しないという効果もある。
【００４５】
したがって、本実施例の電機子によれば、ほとんど全くコストアップなしに、回転電機の運転中にも回転電機の長期間運用後にも、整流子面３１ａに生じる段差が大幅に低減されるという効果がある。その結果、ブラシの寿命が延びて整備コストが低減されるばかりではなく、整流子３１とブラシとの接続抵抗が減って回転電機の性能もいくらか向上するという効果がある。
【００４６】
（実施例１の変形態様１）
本実施例の変形態様１として、爪状の突起部２１の太さが異なり、円筒面状に外径が均一であっても電機子鉄心のかしめ強さが固定部でだけ特に強い電機子の実施が可能である。
【００４７】
本手段では、前述の実施例１と同様の効果が得られるばかりではなく、固定部でも固定子との間のエアギャップが他の部分と同様に狭いので、回転電機の性能が若干向上するという効果がある。
【００４８】
（実施例１の変形態様２）
本実施例の変形態様２として、スロット２０が固定部でだけ小さくなっており、一様な強さでかしめられていても固定部でだけ各上層コイル片がより強固に固定されている電機子の実施も可能である。
【００４９】
本変形態様によっても、おおむね前述の実施例１と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１としての電機子の構成を示す半断面図
【図２】  実施例１としての電機子のスロット付近の構成を示す断面図
【図３】  実施例１としての電機子の要部構成を示す拡大断面図
【図４】  従来技術としての電機子の構成を示す半断面図
【符号の説明】
１：回転軸
２：電機子鉄心    ２ａ：外周面
２０：スロット    ２１：突起部
２２：小径かしめ部（固定部として）
３：電機子コイル
３１：整流子    ３１ａ：整流子面
４：上層コイル片
４０：中間部    ４１：整流子端部    ４２：他端部
５：下層コイル片
５０：中間部    ５１：整流子端部    ５２：他端部
６：絶縁紙
７１，７２：絶縁スペーサ
（８：ブラシ）
【図１】
0003644344.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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