(57)【要約】【課題】車載電装品の高電圧化に伴って増大するブラシ・コンミテータ間の火花を抑制、安定化し、ブラシの高寿命化を図り、もって回転電機の耐久性を向上させる。【解決手段】回転軸に固定されたコンミテータと、コンミテータに摺接する正極及び負極のブラシを備えてなる回転電機にて、負極ブラシよりもコンミテータ上における黒鉛皮膜形成の少ない材質にて正極ブラシを形成する。例えば、正極ブラシの黒鉛の平均粒径を２０μmを超え８０μm以下、負極ブラシの黒鉛の平均粒径を２０μm以下とするなど、正極ブラシを負極ブラシに比して粒径の大きな黒鉛で形成する。これにより、コンミテータ表面の正負極ブラシ下に均等に黒鉛皮膜が形成され、ブラシ・コンミテータ間の火花発生が抑えられ、火花発生によるブラシの摩耗やコンミテータの劣化が抑制される。【選択図】図２
2006288168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に固定されたコンミテータと、前記コンミテータに摺接する正極及び負極のブラシとを備える回転電機であって、
前記正極ブラシは、前記負極ブラシに比して、前記コンミテータ上における黒鉛皮膜形成の少ない材質にて形成されてなることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機において、前記正極及び負極ブラシは黒鉛を主成分として形成され、前記正極ブラシは、前記負極ブラシに比して、粒径の大きな黒鉛にて形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項２記載の回転電機において、前記正極ブラシは、２０μmを超え８０μm以下の平均粒径を有する黒鉛にて形成され、前記負極ブラシは、２０μm以下の平均粒径を有する黒鉛にて形成されることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の回転電機において、前記回転電機は、前記コンミテータに電気的に接続された並列回路の数が２よりも大きいアーマチュアコイルを有することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の車両に搭載されるモータや発電機などの回転電機に関し、特に、車載電装品の高電圧化に対応し得るブラシを備えた回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省燃費や高出力化の観点から、車載電装品の電源電圧を従来の１４Ｖ系（バッテリ電圧：１２Ｖ）から４２Ｖ系（バッテリ電圧：３６Ｖ）に切り換える検討が進められている。例えば、ワイパ装置やパワースライドドア、パワーウインド、電動パワーステアリング装置等に使用される電動モータに関しても４２Ｖ駆動化が検討されている。その際、４２Ｖ駆動のモータでは、１４Ｖ駆動の場合に比して巻線の発生する誘起電圧を大きくするため、その分コイル径を小さくして巻数を増加させる必要がある。このため、４２Ｖ駆動のモータでは、ブラシとコンミテータの接触部分で火花が発生し易くなり、ブラシ寿命が低下すると共に電磁ノイズが増大するという問題がある。また、４２Ｖ仕様ではコンミテータの損傷が激しく、１４Ｖ仕様と同等のスペックを満足するブラシ選定が難しい。
【０００３】
特に、図３に示すような並列回路数が２より大きい重巻モータでは、巻線仕様のみを４２Ｖ対応とした場合、コンミテータ上の皮膜形成状態により、同極ブラシ（正極ブラシ５１a,５１ｂや負極ブラシ５２a,５２ｂ）間で接触状態にアンバランスが生じ易い。このため、巻線のバラツキも相俟って、循環電流が発生し、その電流がブラシを流れることから、ブラシの耐久性低下が懸念される。循環電流への対応策としては、等電位の部位を接続する均圧線が考えられるが、均圧線の設置は煩雑である上、ブラシ通電本数によるスピード切り替えを行うモータの場合、均圧線では循環電流には対応できない。また、アマチュアのコイル数や整流子のセグメント数を多くするなどの対策も取り得るが、その分、工数が増えコストアップの要因となる。
【０００４】
ここで、ブラシとコンミテータの接触部では、正極ブラシ下においては、コンミテータ表面に黒鉛層の堆積によって皮膜が生成される。このため、黒鉛層の下層に形成される銅の酸化層は、黒鉛層よりも生成速度が劣っても、黒鉛層によって防護される状態にある。これに対し、負極ブラシ下においては、酸化層や黒鉛層の生成よりもそれらの除去の方が勝っており、コンミテータ表面には皮膜が形成されにくい。すなわち、コンミテータ表面では極性によって皮膜状態が異なり、正極ブラシ下では皮膜が形成され易く、負極ブラシ下では皮膜が形成されにくい。
【０００５】
このように、安定した皮膜をコンミテータ表面に形成することは難しく、そのままではコンミテータ表面の皮膜が不均一となり、皮膜の薄い部分に電流が集中的に流れるおそれがある。このような局部電流が生じると、ブラシ・コンミテータ間に火花が生じ易くなり、特に、同極ブラシが２つ以上あるモータでは火花量にアンバランスが生じ、ブラシの摩耗劣化が促進される。一方、皮膜を積極的に生成する材質にて正負極ブラシを形成すると、皮膜形成が良好でコンミテータの損傷は少なくなる。しかしながら、皮膜が厚くなるため、皮膜厚の制御が困難となり、接触電圧降下の増大につながる。特に、並列回路数が２より大きいモータでは、皮膜の増大により、接触電圧降下が４回路間でアンバランスとなり、ブラシの循環電流が増加し、耐久性が低下する。
【０００６】
そこで、従来より、コンミテータ上の皮膜を正・負両ブラシ下で均一化すべく、特許文献１〜５に示すような種々の方策が提案されている。例えば、特許文献１では、コンミテータ回転方向に沿ってブラシの抵抗値を変化させて皮膜の均一化を図っている。また、特許文献２〜４では、抵抗値を異にする複数種類の材料によって積層ブラシを形成し、特許文献５では、抵抗率を異にする異種材料にて正・負極ブラシを構成することにより、皮膜の均一化を図っている。そして、これらの方策により、ブラシ・コンミテータ間での火花の発生を抑え、ブラシ摩耗量を減らしブラシの高寿命化を図っている。
【特許文献１】特開昭61-203843号公報
【特許文献２】特開昭63-302744号公報
【特許文献３】特開平1-202135号公報
【特許文献４】特開平5-15114号公報
【特許文献５】特開平2-106150号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜４のように、ブラシ自体の抵抗値を変化させたり、積層ブラシを形成したりする場合、これらのブラシは単一材料のブラシに比して多大な製造工数を要するため、コストアップの要因となる。また、積層ブラシでは、層の境界部分の機械的強度が弱く、摩耗の点では耐久性が向上するが、機械的な面で耐久性に問題がある。さらに、特許文献５では、正・負極ブラシの抵抗率を銅と黒鉛の含有量によって調整しているが、皮膜形成の多寡は単に抵抗率のみによって決定されるものではなく、さらに効果的な対策が求められていた。
【０００８】
本発明の目的は、車載電装品の高電圧化に伴って増大するブラシ・コンミテータ間の火花を抑制、安定化し、ブラシの高寿命化を図り、もって回転電機の耐久性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の回転電機は、回転軸に固定されたコンミテータと、前記コンミテータに摺接する正極及び負極のブラシとを備える回転電機であって、前記正極ブラシは、前記負極ブラシに比して、前記コンミテータ上における黒鉛皮膜形成の少ない材質にて形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、コンミテータ表面に黒鉛皮膜が形成され易い正極ブラシに、負極ブラシに比して黒鉛皮膜形成の少ない材質を用いるので、コンミテータ表面の正負極ブラシ下に均等に黒鉛皮膜が形成される。このため、ブラシ・コンミテータ間の火花発生が抑えられ、火花発生によるブラシの摩耗やコンミテータの劣化が抑制される。
【００１１】
前記回転電機において、黒鉛を主成分として前記正極及び負極ブラシを形成し、前記正極ブラシを、前記負極ブラシに比して粒径の大きな黒鉛にて形成するようにしても良い。これにより、正極ブラシを負極ブラシよりも皮膜形成の少ない材料にて形成できる。この場合、前記正極ブラシを２０μmを超え８０μm以下の平均粒径を有する黒鉛にて形成し、前記負極ブラシを２０μm以下の平均粒径を有する黒鉛にて形成するようにしても良い。
【００１２】
一方、前記回転電機において、前記回転電機は、前記コンミテータに電気的に接続された並列回路数が２よりも大きいアーマチュアコイルを有するものであっても良い。本発明の回転電機では、コンミテータ表面の正負極ブラシ下に均等に黒鉛皮膜が形成されるので、複数回路間の接触電圧降下によるアンバランスも少なくなり、アーマチュアコイルに発生する循環電流も減少し、整流性が改善され、トルクムラや振れ回り力も低減する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の回転電機によれば、回転軸に固定されたコンミテータと、コンミテータに摺接する正極及び負極のブラシを備えてなる回転電機にて、負極ブラシよりもコンミテータ上における黒鉛皮膜形成の少ない材質にて正極ブラシを形成するので、コンミテータ表面の正負極ブラシ下に均等に黒鉛皮膜を形成することが可能となる。従って、ブラシ・コンミテータ間の火花発生を抑えることができ、火花発生によるブラシの摩耗やコンミテータの劣化を抑制し、回転電機の耐久性を向上させることが可能となる。また、ブラシ自体を積層構造とすることなく黒鉛皮膜の均等化が図れるため、製造コストを削減できると共に、機械的強度の向上を図ることも可能となる。
【００１４】
また、本発明の回転電機によれば、回転電機の並列回路数が２よりも大きい場合、コンミテータ表面の正負極ブラシ下に均等に黒鉛皮膜が形成されるので、複数回路間の接触電圧降下によるアンバランスが少なくなり、アーマチュアコイルに発生する循環電流が減少させることが可能となる。従って、ブラシに循環電流が流れるのを抑えることができ、ブラシの劣化防止が図られると共に、整流性が改善され、トルクムラや振れ回り力の低減を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例であるモータ（回転電機）の構成を示す断面図である。モータ１は、自動車用ラジエターファンの駆動源として使用され、図１に示すように、有底円筒形状のモータハウジング２内にアーマチュア３を回動自在に配置した構成となっている。モータハウジング２の内周面には、周方向に二対の永久磁石４が固定されている。この永久磁石４によって、モータ１は４極に構成されている。
【００１６】
アーマチュア３は、回転軸５に固定されたアーマチュアコア６と、アーマチュアコア６に巻装されたアーマチュアコイル７とから構成されている。回転軸５の図中左端部は、モータハウジング２に取り付けられた軸受８によって回動自在に支持されており、アーマチュア３はモータハウジング２内に回動自在に内装される。アーマチュアコア６は、リング状の金属板９を複数枚積層して構成されており、回転軸５に固定されている。アーマチュアコア６の外周には、軸方向に沿ってスロット１１が凹設されている。スロット１１間には巻線１２が巻装される。この巻線１２によって、アーマチュアコア６の外周にアーマチュアコイル７が形成される。
【００１７】
アーマチュアコア６の一端側には、コンミテータ（整流子）１３が隣接して配置されている。コンミテータ１３は、回転軸５に外嵌固定されている。コンミテータ１３の外周面には、導電材にて形成されたコンミテータ片１４が複数枚取り付けられている。コンミテータ片１４は軸方向に長い板状の金属片からなり、互いに絶縁された状態で周方向に沿って並列状に固定される。各コンミテータ片１４のアーマチュアコア６側の端部には、ライザ１５が形成されている。ライザ１５には、アーマチュアコイル７の巻き始め端部と巻き終り端部となる巻線１２が懸回され、フュージングにより固定されている。これにより、コンミテータ片１４とこれに対応するアーマチュアコイル７とが電気的に接続される。
【００１８】
モータハウジング２の開口端にはブラケット１６が設けられており、このブラケット１６の内側にはホルダステー１７が取り付けられている。ホルダステー１７には周方向４箇所に２対のブラシホルダ１８が対向形成されており、モータ１は図３のような４並列回路４ブラシ構成となっている。ブラシホルダ１８にはそれぞれブラシ１９が出没自在に内装されている。ブラシ１９の突出先端部（内径側先端部）はコンミテータ１３に摺接しており、ブラシ１９はスプリング２１によってコンミテータ１３に押接されている。ブラシ１９にはピグテール２２が取り付けられており、ピグテール２２を介して図示しない電源と電気的に接続されている。コンミテータ１３には、ピグテール２２，ブラシ１９を介して外部電源から電力が供給される。
【００１９】
一方、このような構成を備えた当該モータ１では、コンミテータ１３上の皮膜を各ブラシ下で均一化すべく、正極と負極でブラシ１９の材質を異ならせている。前述のように、コンミテータ表面には、正極ブラシ下では皮膜が形成され易く、負極ブラシ下では皮膜が形成されにくい。そこで、本発明によるモータ１では、正極側のブラシ１９（以下、正極ブラシと言う）には黒鉛皮膜形成の少ない材質、具体的には、原料黒鉛粒径の大きい（例えば、平均粒径２０μmを超え８０μm以下、好ましくは平均粒径４０〜６０μm程度）材質のものを使用する。また、負極側のブラシ１９（以下、負極ブラシと言う）には黒鉛皮膜形成の積極的な材質、すなわち、正極ブラシよりも原料黒鉛粒径の小さい（例えば、平均粒径２０μm以下、好ましくは平均粒径５〜１０μm程度）材質のものを使用する。
【００２０】
このように、正極ブラシに黒鉛皮膜形成の少ない材質、負極ブラシに黒鉛皮膜形成の多い材質を用いると、正負極ブラシ下に均等に黒鉛皮膜が形成され、コンミテータ１３の皮膜の形成・除去も２回路間で安定して行われる。このため、ブラシ・コンミテータ間の火花発生が抑えられると共に、同極ブラシ間の接触電圧降下の差によるアンバランスも少なくなる。従って、火花発生によるブラシ１９の摩耗やコンミテータ１３の劣化が抑制され、モータ１の耐久性も向上する。また、アーマチュアコイル７に発生する循環電流も減少し、整流性が改善され、トルクムラや振れ回り力も低減する。さらに、ブラシ１９自体も積層構造となっておらず、製造が容易でコスト的にも有利であり、機械的強度も改善される。
【００２１】
黒鉛皮膜形成の多寡は、原料黒鉛粒径の大小のみならず、研削作用のある材料の添加量の多少や、銅粉の含有量の多少によっても調整できる。すなわち、研削作用を有する被膜調整剤（例えば、SiO2等の金属酸化物）の添加量を少なくすれば、形成された皮膜が除去されにくくなり、その結果、皮膜が形成され易くなるため、負極ブラシへの被膜調整剤添加量を正極ブラシよりも少なくする。例えば、負極ブラシには被膜調整剤の添加量を０.５wt％以下とし、負極ブラシでは０.５wt％を超え１.５wt％以下とする。また、銅粉の含有量を少なくすると皮膜が形成され易くなるため、負極ブラシへの銅粉添加量を正極ブラシよりも少なくする。例えば、負極ブラシには銅粉を加えず（０wt％）、負極ブラシには銅粉を３５wt％以下程度添加する。なお、原料黒鉛粒径の調整と被膜調整剤や銅粉の添加量の調整を併用しても良い。
【００２２】
図２は、(A)正負ブラシ共に皮膜形成の積極的な材料を使用した場合、(B)正負ブラシ共に皮膜形成の少ない材料を使用した場合、(C)正極ブラシに皮膜形成の少ない材料、負極ブラシに皮膜形成の多い（積極的な）材料を使用した場合（本発明の構成）における実験結果を示す表である。図２の実験では、皮膜形成の積極的な材料としては、原料黒鉛の平均粒径を２０μmとし、被膜調整剤を０.２wt％を添加し、銅粉は添加しない（０wt％）ものを使用した。また、皮膜形成の少ない材料としては、原料黒鉛の平均粒径を５０μmとし、被膜調整剤を１.０wt％、銅粉を３５wt％を添加したものを使用した。印加電圧は何れも４２Ｖであり、モータも４２Ｖ仕様である。なお、本実験で火花状態の観察を正極ブラシで行っているのは、被膜の形成し易い側のブラシで火花を観察した方が、本発明の効果をより明確に確認できるためである。
【００２３】
図２の表から分かるように、ブラシ摩耗速度が(A)(B)よりも明らかに(C)の方が小さくなっている。また、コンミテータの摩耗速度（コンミテータ片周方向中央部の通常摺動部での摩耗速度）は、(B)は皮膜形成が少ないため多く、(A)(C)はほぼ同等である。一方、(A)(B)では、２つの正極ブラシ間の火花量に差異が見られ、両者はアンバランスな状態となっている。特に、(B)の場合には、火花量の差が大きくアンバランスが顕著であると共に、火花発生量も大きい。これに対し、(C)では、２つの正極ブラシ間で火花量の差が小さく、バランスが良いと共に、火花量自体も少ない。
【００２４】
このように、正極ブラシに皮膜形成の少ない材料、負極ブラシに皮膜形成の多い材料を使用すると、モータ１を４２Ｖ仕様としても、(C)の結果から明らかなように、正極ブラシ間の火花量の差を小さく抑えることができ、しかも、火花量自体も少ない。従って、本発明による構成(C)を採用することにより、４２Ｖ仕様のモータ、特に、並列回路数が２より大きい重巻のモータにおいて、同極ブラシ間のアンバランスによる循環電流を減少させることができ、ブラシやコンミテータの摩耗や劣化が抑えられ、モータの耐久性が向上する。
【００２５】
本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施例では、本発明のモータをラジエターファンの駆動源として使用した例を示したが、その用途はこれには限定されず、パワースライドドアやパワーウインド、ワイパ装置、電動パワーステアリングなどの車載電装製品の駆動源や、その他の電気製品に使用されるモータとして使用することも可能である。また、前述の実施例にて示した原料黒鉛粒径や、被膜調整剤・銅粉の添加比率はあくまでも一例であり、本発明はその値のみに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例であるモータの構成を示す断面図である。
【図２】本発明による構成とその比較例の実験結果を示す表である。
【図３】並列回路数が複数ある重巻モータの巻線回路構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    モータ
２    モータハウジング
３    アーマチュア
４    永久磁石
５    回転軸
６    アーマチュアコア
７    アーマチュアコイル
８    軸受
９    金属板
１１    スロット
１２    巻線
１３    コンミテータ
１４    コンミテータ片
１５    ライザ
１６    ブラケット
１７    ホルダステー
１８    ブラシホルダ
１９    ブラシ
２１    スプリング
２２    ピグテール
５１a,５１ｂ    正極ブラシ
５２a,５２ｂ    負極ブラシ
【図１】
2006288168.tif 000003
【図２】
2006288168.tif 000004
【図３】
2006288168.tif 000005