(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に支持された電機子鉄心と、
この電機子鉄心に少なくとも上下二層に組み立てられて電機子巻線を形成する複数の単位コイルと、
この単位コイルのコイル端が前記電機子鉄心の軸方向端面と略平行に設けられ、そのコイル端を前記電機子鉄心側へ押圧する押圧部材とを備え、
上層側に組み立てられる前記単位コイルのコイル端を整流子として使用し、そのコイル端の軸方向表面上にブラシが配置される回転電機であって、
前記押圧部材は、前記回転軸の所定位置に圧入される筒状の圧入部と、この圧入部の径方向外側に延設されたフランジ部と、このフランジ部の外周に設けられて前記コイル端との間に配置される絶縁部材に当接する押圧部とを有すると共に、前記フランジ部と前記押圧部との間に段差部が設けられて、前記押圧部が前記フランジ部より前記絶縁部材側に突出しており、
前記単位コイルの温度上昇により前記コイル端が軸方向に熱膨張した時に、前記圧入部が前記回転軸の所定位置から軸方向にずれることなく、前記圧入部に対して前記フランジ部が撓むことができる様に、そのフランジ部の撓みによって生じる軸方向の荷重より、前記回転軸に対する前記圧入部の抜き荷重の方が大きく設定されていることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
回転軸に支持された電機子鉄心と、
この電機子鉄心に少なくとも上下二層に組み立てられて電機子巻線を形成する複数の単位コイルと、
この単位コイルのコイル端が前記電機子鉄心の軸方向端面と略平行に設けられ、そのコイル端を前記電機子鉄心側へ押圧する押圧部材とを備え、
上層側に組み立てられる前記単位コイルのコイル端を整流子として使用し、そのコイル端の軸方向表面上にブラシが配置される回転電機であって、
前記押圧部材は、前記回転軸の所定位置に圧入される筒状の圧入部と、この圧入部の径方向外側に延設されたフランジ部と、このフランジ部の外周に設けられて前記コイル端との間に配置される絶縁部材に当接する押圧部とを有し、
前記単位コイルの温度上昇により前記コイル端が軸方向に熱膨張した時に、前記圧入部が前記回転軸の所定位置から軸方向にずれることなく、前記圧入部に対して前記フランジ部が撓むことができ、そのフランジ部の撓みによって生じる軸方向の荷重より、前記回転軸に対する前記圧入部の抜き荷重の方が大きくなる様に、前記圧入部の肉厚が前記フランジ部の厚さより厚く設けられていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１に記載した回転電機において、
前記押圧部材は、前記コイル端の熱膨張により前記フランジ部に生じる弾力が前記圧入部に対し前記回転軸から抜く方向に作用する荷重より、前記回転軸に対する前記圧入部の抜き荷重の方が大きくなる様に設けられていることを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電機子鉄心に組み立てられる上層コイルのコイル端を整流子として使用する整流子型の回転電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特開平８−１６８２２５号公報に記載された回転電機が公知である。この回転電機は、電機子鉄心に組み込まれた上層コイルのコイル端を整流子として利用するもので、そのコイル端がアーマチャの回転時に生じる遠心力によって浮き上がるのを防止するためにカラーが装着されている。
カラーは、回転軸に圧入される円筒状の圧入部と、この圧入部と一体に設けられたフランジ部、及びフランジ部の外径部から上層コイルのコイル端側へ屈曲されたリング状の押圧部とで構成され、この押圧部が絶縁部材を介してコイル端を押圧している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の回転電機は、上層コイル及び下層コイルに通電されると、その通電電流により上層コイル及び下層コイルが発熱して熱膨張を生じる。この時、電気抵抗の低い銅等より形成された上層コイルと下層コイルは、電機子鉄心及び回転軸（例えば鉄製）と比較して熱膨張率が大きいため、上層コイル及び下層コイルの熱膨張によってカラーを押圧する荷重が生じる。
【０００４】
この荷重は、カラーを回転軸から抜く方向に作用するため、その荷重を受けてカラーが所定位置からずれると、カラーの押圧部が個々のコイル端を均等に押圧できなくなるため、コイル端の浮き上がりにより整流子面に段差が生じる。その結果、整流不良が生じて出力の低下を招くと共に、ブラシの摩耗が増大してブラシ寿命が低下するという問題があった。
【０００５】
また、カラーが所定位置からずれてコイル端を押圧できなくなると、コイル端が振動して、カラーの押圧部とコイル端との間に介在された絶縁部材が損傷し、その結果、カラーを通じて個々のコイル端同士が短絡する虞もあった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、単位コイルのコイル端を整流子として使用する回転電機において、コイル端の熱膨張に伴うカラー（押圧部材）の位置ずれを防止することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の発明）
本発明の回転電機は、電機子鉄心に少なくとも上下二層に組み立てられて電機子巻線を形成する複数の単位コイルと、この単位コイルのコイル端を電機子鉄心側へ押圧する押圧部材とを備える。その押圧部材は、回転軸の所定位置に圧入される筒状の圧入部と、この圧入部の径方向外側に延設されたフランジ部と、このフランジ部の外周に設けられてコイル端との間に配置される絶縁部材に当接する押圧部とを有すると共に、フランジ部と押圧部との間に段差部が設けられて、押圧部がフランジ部より絶縁部材側に突出しており、単位コイルの温度上昇によりコイル端が軸方向に熱膨張した時に、圧入部が回転軸の所定位置から軸方向にずれることなく、圧入部に対してフランジ部が撓むことができる様に、そのフランジ部の撓みによって生じる軸方向の荷重より、回転軸に対する圧入部の抜き荷重の方が大きく設定されていることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、回転軸に対して押圧部材の圧入部が軸方向にずれることがなく、所定位置に固定されているので、単位コイルの温度上昇によりコイル端が軸方向に熱膨張しても、圧入部に対してフランジ部が撓むことにより、押圧部がコイル端を電機子鉄心側に押圧することができる。その結果、コイル端の浮き上がりを防止できるので、整流子として使用されるコイル端に対するブラシの接触不良（整流不良）を防止でき、且つブラシの摩耗を抑制できる。
また、フランジ部と押圧部との間に設けられる段差部の段差寸法（フランジ部と押圧部との軸方向距離）に応じてフランジ部に生じる弾力の大きさが変化するため、例えば定格出力が異なる（単位コイルの温度上昇による熱膨張の程度が異なる）他の回転電機に対して、段差部の段差寸法を変更した押圧部材を使い分けることが可能である。
更に、押圧部が絶縁部材を介してコイル端を常時押圧しているので、コイル端が振動することはなく、それによって絶縁部材の損傷を防止できる。
【０００９】
（請求項２の発明）
本発明の回転電機は、電機子鉄心に少なくとも上下二層に組み立てられて電機子巻線を形成する複数の単位コイルと、この単位コイルのコイル端を電機子鉄心側へ押圧する押圧部材とを備える。その押圧部材は、回転軸の所定位置に圧入される筒状の圧入部と、この圧入部の径方向外側に延設されたフランジ部と、このフランジ部の外周に設けられてコイル端との間に配置される絶縁部材に当接する押圧部とを有し、単位コイルの温度上昇によりコイル端が軸方向に熱膨張した時に、圧入部が回転軸の所定位置から軸方向にずれることなく、圧入部に対してフランジ部が撓むことができ、そのフランジ部の撓みによって生じる軸方向の荷重より、回転軸に対する圧入部の抜き荷重の方が大きくなる様に、圧入部の肉厚がフランジ部の厚さより厚く設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、回転軸に対して押圧部材の圧入部が軸方向にずれることがなく、所定位置に固定されているので、単位コイルの温度上昇によりコイル端が軸方向に熱膨張しても、圧入部に対してフランジ部が撓むことにより、押圧部がコイル端を電機子鉄心側に押圧することができる。その結果、コイル端の浮き上がりを防止できるので、整流子として使用されるコイル端に対するブラシの接触不良（整流不良）を防止でき、且つブラシの摩耗を抑制できる。
また、圧入部の肉厚がフランジ部の厚さより薄い場合と比較して、回転軸に対する圧入部の抜き荷重（圧入部を回転軸から引き抜くために必要な荷重）を大きくできる。このため、単位コイルの温度上昇によりコイル端が軸方向に熱膨張しても、圧入部が軸方向にずれることはなく、フランジ部が撓むことでコイル端の熱膨張を吸収することができる。
【００１０】
（請求項３の発明）
請求項１に記載した回転電機において、
押圧部材は、コイル端の熱膨張によりフランジ部に生じる弾力が圧入部に対し回転軸から抜く方向に作用する荷重より、回転軸に対する圧入部の抜き荷重の方が大きくなる様に設けられている。
【００１１】
この構成によれば、単位コイルの温度上昇によりコイル端が軸方向に熱膨張してフランジ部に撓みが発生した場合に、その撓みによって圧入部に加わる（圧入部を回転軸から抜く方向に作用する）荷重より、回転軸に対する圧入部の抜き荷重の方が大きいので、回転軸に対して圧入部が軸方向にずれることはない。
従って、コイル端の熱膨張による変位をフランジ部の撓みによって吸収することができ、単位コイルの温度低下によりコイル端が軸方向に収縮した場合でも適正な荷重でコイル端を押圧できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は本発明に係わる回転電機１の要部断面図である。
本実施例の回転電機１は、例えば減速型スタータに用いられる始動用モータであり、図１に示す様に、ヨーク２の内周に固定磁極３を有する界磁と、固定磁極３の内周に配置される電機子（下述する）、この電機子に通電するためのブラシ４、及び本発明の押圧部材であるカラー５等より構成される。
【００１５】
ヨーク２は、鋼板等の強磁性体により円筒形状に形成され、後端開口部がエンドフレーム６によって閉塞されている。
固定磁極３は、例えば複数の永久磁石によって構成され、ヨーク２の内周面に周方向等間隔に配置されている。
電機子は、回転軸７と、この回転軸７に支持される電機子鉄心８、及び電機子鉄心８に設けられる電機子巻線（後述する）より構成される。
【００１６】
回転軸７は、両端部がそれぞれ軸受（図１では後端側の軸受９のみ示している）を介して回転自在に支持されている。なお、後端側の軸受９は、エンドフレーム６に設けられた軸受用ボス部６ａに圧入固定されている。
電機子鉄心８は、円板状の薄鋼板を複数枚積層して構成され、回転軸７の外周に圧入されて回転軸７と一体に回転する。この電機子鉄心８の外径部には、所定数（例えば２５個）のスロット８ａがそれぞれ軸方向に沿って凹設され、電機子鉄心８の周方向に等間隔に設けられている。
【００１７】
電機子巻線は、電機子鉄心８に上下二層に組み立てられる複数の単位コイル１０、１１によって構成され、電気抵抗の低い銅を材料として形成されている。
この単位コイル１０、１１は、図１に示す様に、下層側に配置される下層単位コイル１０と上層側に配置される上層単位コイル１１とから成り、それぞれ電機子鉄心８のスロット８ａに挿入されるコイル辺（下層コイル辺１０ａ、上層コイル辺１１ａ）と、このコイル辺の両端に設けられる一組のコイル端（下層コイル端１０ｂ、上層コイル端１１ｂ）とで構成され、側方から見た形状が略コの字形に成形されている。
【００１８】
下層単位コイル１０は、下層コイル辺１０ａが図示しないスロット絶縁紙を介してスロット８ａに挿入され、一組の下層コイル端１０ｂが電機子鉄心８の軸方向両側に配置されて、それぞれ電機子鉄心８の軸方向端面と略平行に回転軸７方向に延設されている。この下層単位コイル１０には、上層単位コイル１１との電気的接続を行うために、下層コイル端１０ｂの先端部から軸方向に突出する突起部１０ｃが設けられている。
電機子鉄心８の軸方向両端面には、下層コイル端１０ｂとの間を絶縁する円板状の絶縁板１２が回転軸７に嵌合して配置されている。
【００１９】
上層単位コイル１１は、下層単位コイル１０が電機子鉄心８に組み立てられた後、上層コイル辺１１ａが図示しないスロット絶縁紙を介してスロット８ａに挿入され、一組の上層コイル端１１ｂが下層コイル端１０ｂの軸方向外側に配置されて、それぞれ下層コイル端１０ｂと略平行に回転軸７方向に延設されている。
この上層単位コイル１１は、一方の上層コイル端１１ｂが整流子として使用されるもので、上層コイル端１１ｂの軸方向表面（図１の右側端面）にブラシ４が当接して配置される。
【００２０】
下層コイル端１０ｂと上層コイル端１１ｂとの間には、両者間を絶縁する円板状の絶縁板１３が下層コイル端１０ｂに設けられた突起部１０ｃの外周に嵌合して配置されている。
電機子鉄心８に組み立てられた下層単位コイル１０と上層単位コイル１１は、下層コイル端１０ｂの突起部１０ｃと上層コイル端１１ｂの先端部とがTIG 溶接等により電気的且つ機械的に接合されて電機子巻線を形成している。
【００２１】
ブラシ４は、ブラシホルダ１４に摺動自在に挿入され、ブラシスプリング１５により整流子面（上層コイル端１１ｂの軸方向表面）に押圧されている。
ブラシホルダ１４は、例えば耐熱樹脂等で形成され、エンドフレーム６の内側端面に固着されている。
【００２２】
カラー５は、電機子の回転時に生じる遠心力によって下層コイル端１０ｂと上層コイル端１１ｂが電機子鉄心８の軸方向端面から浮き上がるのを防止するもので、図１に示す様に、回転軸７の所定位置（図示位置）に圧入される筒状のボス部５ａと、このボス部５ａの径方向外側に延設されたフランジ部５ｂ、及びフランジ部５ｂの外周に設けられる押圧部５ｃとを有し、この押圧部５ｃが上層コイル端１１ｂとの間に配置される絶縁リング１６を介して下層コイル端１０ｂ及び上層コイル端１１ｂを電機子鉄心８側に押圧している。なお、フランジ部５ｂと押圧部５ｃとの間には、下層コイル端１０ｂの突起部１０ｃと上層コイル端１１ｂの先端部との接合部にフランジ部５ｂが接触しない様に段差部５ｄが設けられて、押圧部５ｃの方がフランジ部５ｂより電機子鉄心８側に出ている。
【００２３】
このカラー５は、下層単位コイル１０及び上層単位コイル１１の温度上昇により下層コイル端１０ｂ及び上層コイル端１１ｂが軸方向（図１の左右方向）に熱膨張すると、フランジ部５ｂが撓むことで下層コイル端１０ｂ及び上層コイル端１１ｂの熱膨張による変位を吸収できるように設けられている。但し、フランジ部５ｂの撓み（想定される最大の撓み）によりボス部５ａに対し回転軸７から抜く方向に作用する荷重Ｆ1 より、回転軸７に対するボス部５ａの抜き荷重Ｆ2 の方が大きくなる様に、ボス部５ａの肉厚ｔ0 がフランジ部５ｂの厚さｔ1 より厚く設定されている（図１参照）。このカラー５は、例えばプレス加工あるいは冷間鍛造加工等により製造される。
【００２４】
なお、フランジ部５ｂの撓みにより発生する荷重Ｆ1 は、次式により求めることができる。
Ｆ1 ＝ε・Ｅ・Ａ
ε：熱膨張による歪み率、Ｅ：単位コイルの材料である銅のヤング率、Ａ：絶縁リング１６に接触する押圧部５ｃの表面積
従って、図２に示す様に、フランジ部５ｂの撓み量が大きくなる程、荷重Ｆ1 も増大するが、フランジ部５ｂの最大撓み量が回転電機１の定格出力（定格時間運転時）にて発生する最大温度によって限定される。従って、上記の荷重Ｆ2 は、フランジ部５ｂの最大撓み量によって発生する荷重Ｆ1 より大きくなる様に設定されている。
【００２５】
次に、本実施例の作用及び効果を説明する。
電機子巻線に通電されると、その通電電流により上層単位コイル１１及び下層単位コイル１０が発熱して熱膨張を生じる。これに対し、カラー５は、下層コイル端１０ｂ及び上層コイル端１１ｂの熱膨張による軸方向の変位をフランジ部５ｂが撓むことで吸収し、そのフランジ部５ｂの撓みによって生じる荷重Ｆ1 より、回転軸７に対するボス部５ａの抜き荷重Ｆ2 の方が大きいので、ボス部５ａが回転軸７の軸方向にずれることはなく、図１に示す所定位置に固定されている。
【００２６】
これにより、上層単位コイル１１及び下層単位コイル１０の熱変形により上層コイル端１１ｂ及び下層コイル端１０ｂが軸方向に伸縮しても、フランジ部５ｂの弾力により押圧部５ｃが絶縁リング１６を介して上層コイル端１１ｂ及び下層コイル端１０ｂを常時押圧することができるので、電機子の回転時に生じる遠心力によって上層コイル端１１ｂ及び下層コイル端１０ｂが電機子鉄心８の軸方向端面から浮き上がることを防止できる。
【００２７】
以上の結果、各上層単位コイル１１の上層コイル端１１ｂによって構成される整流子の平面度を維持できるので、整流子面に対するブラシ４の接触不良（整流不良）を防止でき、且つブラシ４の摩耗を抑制できる。また、カラー５の押圧部５ｃが絶縁リング１６を介して上層コイル端１１ｂ及び下層コイル端１０ｂを常時押圧しているので、電機子の回転時に上層コイル端１１ｂ及び下層コイル端１０ｂが振動することはなく、それによって絶縁リング１６の損傷を防止できる効果もある。
【００２８】
（第２実施例）
本実施例は、図３に示す様に、カラー５のボス部５ａとフランジ部５ｂ及び押圧部５ｃとを分割した構成を示す一例である。
この場合、ボス部５ａとフランジ部５ｂ及び押圧部５ｃとを別々の材質で形成できるので、より高い効果を得ることが可能である。例えば、ボス部５ａの材質を冷間鍛造材、フランジ部５ｂ及び押圧部５ｃの材質をバネ鋼材とすることにより、ボス部５ａには回転軸７に対し高い固着力を持たせることができ、フランジ部５ｂには高い弾性を持たせることができる。
【００２９】
（第３実施例）
本実施例は、カラー５のフランジ部５ｂから押圧部５ｃまでの厚さを段階的に変化させた場合の一例である。
具体的には、図４に示す様に、フランジ部５ｂの厚さｔ1 、段差部５ｄの厚さｔ2 、押圧部５ｃの厚さｔ3 の関係が以下の様に規定されている。
ｔ1 ＞ｔ2 ＞ｔ3
【００３０】
なお、ボス部５ａの肉厚ｔ0 の方がフランジ部５ｂの厚さｔ1 より厚く設定されている（ｔ0 ＞ｔ1 ）ことは第１実施例と同じである。
この構成によれば、フランジ部５ｂから押圧部５ｃに向かって各部の応力値の差が小さくなるので、フランジ部５ｂの撓みに対する荷重特性の直線性が安定する効果が得られる。
【００３１】
（第４実施例）
本実施例は、図５に示す様に、カラー５の材料として薄板を使用した場合の一例である。この場合、ボス部５ａは、フランジ部５ｂより厚い肉厚を得るために薄板を折り返して二重構造にしている。
この構成では、カラー製作時のプレス工程において大きな荷重を必要としないので、設備費及び型費を低減できる効果がある。
【００３２】
（第５実施例）
本実施例は、図６に示す様に、フランジ部５ｂの電機子鉄心８側表面に凹部５ｅを設けた場合の一例である。
この場合、フランジ部５ｂの径方向に対する凹部５ｅの位置を変えることにより、フランジ部５ｂの撓みと荷重との関係を調整することが可能である。即ち、カラー５に使用される材料の板厚の変化を予め測定しておき、凹部５ｅの径方向位置を型のみ交換してプレスすることにより、板厚のバラツキの大きい材料を用いても安定した撓み−荷重特性を有するカラー５を製造することができる。
【００３３】
次に、カラーを備えた回転電機の一参考例を図７に基づき説明する。
この参考例は、図７に示す様に、回転軸７にカラー５の移動を規制する規制手段を設けた場合の一例である。規制手段は、回転軸７の外周に塑性加工により設けられる係止部７ａであり、カラー５のボス部５ａを回転軸７に嵌合（または圧入）させた後、回転軸７の外周に盛り上がる様に係止部７ａを塑性加工により形成して、ボス部５ａが回転軸７から抜ける方向（図７の右方向）への移動を規制している。
この構成によれば、ボス部５ａの回転軸７に対する嵌着力を低く設定できるので、ボス部５ａの内径公差を緩和することにより、カラー５の製作コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わる回転電機の要部断面図である（第１実施例）。
【図２】  フランジ部の撓みと荷重との関係を表す特性図である。
【図３】  カラーの断面図である（第２実施例）。
【図４】  カラーの断面図である（第３実施例）。
【図５】  カラーの断面図である（第４実施例）。
【図６】  カラーの断面図である（第５実施例）。
【図７】  カラーを備えた回転電機の一参考例を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１    回転電機
４    ブラシ
５    カラー（押圧部材）
５ａ  ボス部（圧入部）
５ｂ  フランジ部
５ｃ  押圧部
５ｄ  段差部
７    回転軸
８    電機子鉄心
１０    下層単位コイル（単位コイル）
１０ｂ  下層コイル端
１１    上層単位コイル（単位コイル）
１１ｂ  上層コイル端
１６    絶縁リング（絶縁部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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