(57)【要約】【課題】整流子面に凹凸形状７を設けた電動機において、整流子５およびブラシ８の欠けの発生を低減できる技術を提供する。【解決手段】整流子面には、周方向（ブラシ８の摺動方向）と直交する幅方向に凹凸形状７が形成され、この凹凸形状７が整流子面の全周に設けられている。但し、整流子面の幅方向の両端部には、凹凸形状７の無い平滑面９が残されている。また、整流子面の幅方向に凹凸形状７が設けられている範囲は、整流子面の幅方向におけるブラシ８の幅より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲内に設けられている。上記の構成によれば、凹凸形状７の両端部およびブラシ８の両端部に、それぞれ肉厚の薄い凸状部分が生じることはないので、内燃機関の高振動が伝達されても、その高振動によって整流子５の端部およびブラシ８の端部に欠けが発生することを低減できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子に設けられる整流子と、
この整流子の表面（整流子面と呼ぶ）上に配置され、前記電機子の回転によって前記整流子面上を摺動するブラシとを有し、
前記整流子面には、前記ブラシの摺動方向と直交する幅方向に凹凸形状が形成され、その凹凸形状が前記整流子面の全周に設けられている電動機であって、
前記整流子面の幅方向における少なくとも一方側の端部には、前記凹凸形状の無い平滑面が形成されていることを特徴とする電動機。
【請求項２】
請求項１に記載した電動機において、
前記整流子面の幅方向に凹凸形状が設けられている範囲は、前記整流子面の幅方向に沿った前記ブラシの幅より小さいことを特徴とする電動機。
【請求項３】
請求項２に記載した電動機において、
前記整流子面の幅方向における両端部にそれぞれ前記平滑面が形成されており、
前記整流子面の幅方向に前記凹凸形状が設けられている範囲は、前記整流子面の幅方向における前記整流子と前記ブラシとの摺動範囲内にあることを特徴とする電動機。
【請求項４】
請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、
前記整流子は、電機子軸の外周に円筒状に構成されていることを特徴とする電動機。
【請求項５】
請求項４に記載した電動機において、
前記整流子は、前記整流子面の幅方向である軸方向の一端側端部に前記平滑面が形成され、軸方向の他端側端部に電機子コイルに接続される接続部が設けられていることを特徴とする電動機。
【請求項６】
請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、
前記整流子は、電機子軸と直交する向きに構成されていることを特徴とする電動機。
【請求項７】
請求項６に記載した電動機において、
前記整流子は、前記整流子面の幅方向である径方向の外径側端部に前記平滑面が形成されていることを特徴とする電動機。
【請求項８】
請求項１〜７に記載した何れかの電動機において、
２点支持された試験片の略中央部に荷重を付与して、前記試験片が破壊した時の最大荷重を基に、前記試験片の曲げ強度を測定する方法であって、
Ｌ：支点間の距離（ｃｍ）
Ａ：試験片の幅（ｃｍ）
Ｂ：試験片の厚さ（ｃｍ）
Ｐ：試験片が破壊した時の最大荷重（Ｎ）
上記の定義に基づき、前記試験片の曲げ強度を下記（１）式より求める時に、
曲げ強度＝８×Ｐ×Ｌ／（２×Ａ×Ｂ2 ）…………（１）
上記の測定方法により測定された前記ブラシの曲げ強度が１６ＭＰａ以上であることを特徴とする電動機。
【請求項９】
請求項８に記載した電動機において、
前記ブラシは多層構造であり、各層毎の曲げ強度を平均した値が１６ＭＰａ以上であることを特徴とする電動機。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載した何れかの電動機は、内燃機関を始動するためのスタータモータであることを特徴とする電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流子とブラシを有する電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、整流子とブラシとを有する電動機において、例えば、図９に示す様に、ブラシ１００が摺動する整流子１１０の表面（整流子面）に複数の溝１２０を略等間隔に形成して、整流子面に凹凸形状を設けることにより、整流子１１０とブラシ１００との接触状態（摺動状態）を安定化させて、電動機の性能向上を図る技術が知られている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６２−１１８７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記の公知技術には、以下の問題がある。
すなわち、整流子面の軸方向端部まで凹凸形状を設けた場合に、その軸方向端部に肉厚が薄く、強度の低い凸状部分（図示Ｘ部分）が形成される恐れがある。同様に、ブラシ１００の軸方向端部にも、肉厚が薄く、強度の低い凸状部分（図示Ｙ部分）が形成される恐れがある。これらの事は、上記の公知技術を有する電動機を、内燃機関を始動するスタータモータに適用した場合に、内燃機関の発生する高振動を受けて、整流子面の軸方向端部に存在する肉厚の薄い凸状部分、およびブラシの軸方向端部に存在する肉厚の薄い凸状部分が欠ける問題に繋がる。
【０００４】
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、ブラシと整流子との摺動状態を安定化させるために、整流子面に凹凸形状を設けた電動機において、整流子およびブラシの欠けの発生を低減できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（請求項１の発明）
本発明は、電機子に設けられる整流子と、この整流子の表面（整流子面と呼ぶ）上に配置され、電機子の回転によって整流子面上を摺動するブラシとを有し、整流子面には、ブラシの摺動方向と直交する幅方向に凹凸形状が形成され、その凹凸形状が整流子面の全周に設けられている電動機であって、整流子面の幅方向における少なくとも一方側の端部には、凹凸形状が設けられていない平滑面が残されていることを特徴とする。
【０００６】
上記の構成によれば、整流子面の幅方向における少なくとも一方側の端部には、凹凸形状が設けられていない、つまり平滑面が残されているため、肉厚が薄く、強度の低い凸状部分が存在しない。これにより、高振動によって整流子の端部に欠けが発生することを低減できる。
また、従来の様に整流子面の端部まで凹凸形状を設けると、加工途中で凹凸形状の端部（肉厚の薄い凸状部分）に欠けが発生する恐れがあるため、凹凸形状を注意深く加工する必要がある。これに対し、本発明では、整流子面の少なくとも一方側の端部に凹凸形状の無い平滑面を有するので、加工途中で凹凸形状の端部が欠ける恐れも小さく、凹凸形状の加工が容易である。
【０００７】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した電動機において、整流子面の幅方向に凹凸形状が設けられている範囲は、整流子面の幅方向に沿ったブラシの幅より小さいことを特徴とする。
この構成によれば、ブラシの少なくとも一方側の端部が、整流子面の凹凸形状から外れて平滑面上を摺動するため、ブラシの一方側の端部に肉厚の薄い凸状部分が形成されることはない。つまり、整流子面の凹凸形状が設けられている範囲では、その整流子面上を摺動するブラシの摺動面にも整流子面の凹凸形状に倣って凹凸部分が形成されるが、整流子面の平滑面上を摺動する部分には、凹凸部分が形成されることはなく、平滑な状態となっている。従って、ブラシの一方側の端部に肉厚の薄い凸状部分が形成されることはなく、高振動によってブラシの一方側の端部に欠けが発生することを低減できる。
【０００８】
（請求項３の発明）
請求項２に記載した電動機において、整流子面の幅方向における両端部にそれぞれ平滑面が形成されており、整流子面の幅方向に凹凸形状が設けられている範囲は、整流子面の幅方向における整流子とブラシとの摺動範囲内にあることを特徴とする。
この構成によれば、ブラシの両端部に肉厚の薄い凸状部分が形成されることがないので、高振動によってブラシの両端部に欠けが発生することを低減できる。
【０００９】
（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、整流子は、電機子軸の外周に円筒状に構成されていることを特徴とする。
この場合、円筒状に形成される整流子面の軸方向に凹部と凸部とが交互に設けられて凹凸形状を成し、その凹凸形状が整流子面の全周に形成されている。
【００１０】
（請求項５の発明）
請求項４に記載した電動機において、整流子は、整流子面の幅方向である軸方向の一端側端部に平滑面が形成され、軸方向の他端側端部に電機子コイルに接続される接続部が設けられていることを特徴とする。
この場合、平滑面が形成される整流子面の一端側端部に振動による欠けが発生することを低減できる。また、整流子の他端側端部に接続部（いわゆるライザ）が設けられるので、整流子面の他端側の端部に平滑面が無くても（但し、請求項５に係る発明では、平滑面の有無は問わない）、整流子の他端側端部が振動によって欠けることはない。
【００１１】
（請求項６の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの電動機において、整流子は、電機子軸と直交する向きに構成されていることを特徴とする。
この場合、電機子軸と直交する整流子面に対し、電機子軸を中心とする同心円状に凹部と凸部とが交互に設けられて凹凸形状を成し、その凹凸形状が整流子面の全周に形成されている。
【００１２】
（請求項７の発明）
請求項６に記載した電動機において、整流子は、整流子面の幅方向である径方向の外径側端部に平滑面が形成されていることを特徴とする。
この場合、平滑面が形成される整流子面の外径側端部に振動による欠けが発生することを低減できる。
【００１３】
（請求項８の発明）
請求項１〜７に記載した何れかの電動機において、２点支持された試験片の略中央部に荷重を付与して、試験片が破壊した時の最大荷重を基に、試験片の曲げ強度を測定する方法であって、
Ｌ：支点間の距離（ｃｍ）
Ａ：試験片の幅（ｃｍ）
Ｂ：試験片の厚さ（ｃｍ）
Ｐ：試験片が破壊した時の最大荷重（Ｎ）
上記の定義に基づき、試験片の曲げ強度を下記（１）式より求める時に、
曲げ強度＝８×Ｐ×Ｌ／（２×Ａ×Ｂ2 ）…………（１）
上記の測定方法により測定されたブラシの曲げ強度が１６ＭＰａ以上であることを特徴とする。
上記の構成によれば、ブラシの曲げ強度が１６ＭＰａ以上と大きいため、高振動によるブラシの凸部（整流子面の凹部に嵌まる部分）および端部の欠けの発生を低減できる。
【００１４】
（請求項９の発明）
請求項８に記載した電動機において、ブラシは多層構造であり、各層毎の曲げ強度を平均した値が１６ＭＰａ以上であることを特徴とする。
ブラシが多層構造であっても、各層毎の曲げ強度を平均した値が１６ＭＰａ以上と大きいので、高振動によるブラシの凸部（整流子面の凹部に嵌まる部分）および端部の欠けの発生を低減できる。
【００１５】
（請求項１０の発明）
請求項１〜９に記載した何れかの電動機は、内燃機関を始動するためのスタータモータであることを特徴とする。
スタータモータは、内燃機関のクランキング中に発生する振動が整流子およびブラシに伝わるため、請求項１〜９に記載した何れかの技術を採用することによって、高振動による整流子およびブラシの欠けを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
この実施例１は、内燃機関を始動するためのスタータモータに本発明の電動機を適用した一例であり、図１にスタータモータの電機子１を示す。
スタータモータは、図示しない界磁（永久磁石または界磁コイル）の内側に回転自在に支持される電機子１を有し、界磁と電機子１との間に作用する電磁力によって電機子１に回転力を発生する周知の直流電動機である。
電機子１は、電機子軸２と、この電機子軸２の外周に圧入状態でセレーション嵌合する電機子コア３と、この電機子コア３に巻線される電機子コイル４と、電機子軸２の一方の端部に設けられる整流子５とで構成される。
【００１８】
整流子５は、絶縁材６に保持された複数の整流子片５０を電機子軸２の外周に円筒状に配置して構成され、個々の整流子片５０の端部に設けられたライザ５１（本発明の接続部）に、それぞれ電機子コイル４が機械的且つ電気的に接続されている。整流子片５０の表面（整流子面）には、図１に示す様に、凹凸形状７が形成され、その凹凸形状７が整流子面の全周に設けられている。
この整流子５の外周には、複数のカーボンブラシ８が配置され、図示しないブラシスプリングにより整流子面に押圧されている。
【００１９】
次に、整流子面に設けられた凹凸形状７について図２を基に詳述する。
整流子面には、周方向（ブラシ８の摺動方向）に沿って整流子面を一周する複数本の溝７ａが形成され、この複数本の溝７ａが、整流子面の周方向と直交する幅方向、つまり図２に示す左右方向に略等間隔に設けられている。その結果、整流子面の幅方向に凹凸形状７が形成され、この凹凸形状７が整流子面の全周に設けられている。
但し、整流子面の幅方向全体に凹凸形状７が設けられている訳ではなく、幅方向の両端部には、凹凸形状７の無い平滑面９が残されている。なお、整流子面に形成される溝７ａは、平滑面９より深く凹設されている。言い換えると、隣合う溝７ａ同士の間に形成される凸部が平滑面９と同じ高さに設けられている。
【００２０】
また、図２に示す様に、整流子面の幅方向に凹凸形状７が設けられている範囲ａ１は、整流子面の幅方向におけるブラシ８の幅Ａ１より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲（＝Ａ１）内に設けられている。これにより、整流子面上を摺動するブラシ８の摺動面には、整流子面の凹凸形状７に倣って凹凸部分が形成されるが、整流子面の平滑面９上を摺動するブラシ８の両側摺動面には、凹凸部分が形成されることはなく、平滑な状態となっている。
【００２１】
（実施例１の効果）
実施例１に示す整流子５は、整流子面の幅方向両端部に平滑面９が形成されている。つまり、整流子面の両端部に凹凸形状７が形成されていないため、凹凸形状７の両端部に肉厚の薄い凸状部分が生じることはない。その結果、内燃機関の高振動が整流子５に伝達されても、その高振動によって整流子５の端部に欠けが発生することを低減できる。
また、従来の様に整流子面の端部まで凹凸形状７を設けると、加工途中で凹凸形状７の端部（肉厚の薄い凸状部分）に欠けが発生する恐れがあるため、凹凸形状７を注意深く加工する必要がある。これに対し、実施例１では、整流子面の両端部に凹凸形状７の無い平滑面９を形成するので、加工途中に凹凸形状７の端部が欠ける恐れも小さく、凹凸形状７の加工が容易である。
【００２２】
更に、整流子面の幅方向に凹凸形状７が設けられている範囲ａ１が、ブラシ８の幅Ａ１より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲内に設けられているので、図２に示す様に、ブラシ８の両端部に肉厚の薄い凸状部分が形成されることはなく、高振動によってブラシ８の両端に欠けが発生することを低減できる。
【実施例２】
【００２３】
図３は実施例２に係る電機子１の半断面図であり、図４は整流子面の凹凸形状７を示す拡大断面図である。
この実施例２に示す電機子１は、図３に示す様に、整流子５が電機子軸２と略直交する向きに構成されている。具体的には、電機子コア３のスロット３ａより軸方向外側に取り出された電機子コイル４の一部が電機子コア３の端面と略平行に配置され、整流子片５０として利用されている。
【００２４】
電機子コイル４は、電機子コア３のスロット３ａの数と同数の下層コイル体４０と上層コイル体４１とを有し、この下層コイル体４０の直線部４０ａと上層コイル体４１の直線部４１ａとを二層状態でスロット３ａに挿入して電機子コア３に組み立てた後、互いに異なるスロット３ａから取り出された下層コイル体４０の端部と上層コイル体４１の端部とを接合して形成される。
【００２５】
上層コイル体４１は、スロット３ａに挿入される直線部４１ａの一端から電機子コア３の端面と略平行に径方向内側へ延びるコイル端部４１ｂが設けられ、そのコイル端部４１ｂが整流子片５０として利用されている。
この整流子片５０の表面（整流子面）には、軸方向よりカーボンブラシ８が当接して、図示しないブラシスプリングにより整流子面に押圧されている。
【００２６】
整流子面を形成するコイル端部４１ｂの軸方向外側面には、電機子軸２を中心とする同心円状に複数本の溝７ａが略等間隔に形成されている。これにより、整流子面の半径方向（図４の上下方向）に凹凸形状７が形成され、この凹凸形状７が整流子面の全周に設けられている。但し、整流子面の半径方向全体に凹凸形状７が設けられている訳ではなく、半径方向の内径側端部および外径側端部には、それぞれ凹凸形状７の無い平滑面９が残されている。
【００２７】
また、図４に示す様に、整流子面の半径方向に凹凸形状７が設けられている範囲ａ２は、整流子面の半径方向におけるブラシ８の幅Ａ２より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲（＝Ａ２）内に設けられている。これにより、整流子面上を摺動するブラシ８の摺動面には、整流子面の凹凸形状７に倣って凹凸部分が形成されるが、整流子面の平滑面９上を摺動するブラシ８の両側摺動面には、凹凸部分が形成されることはなく、平滑な状態となっている。
上記の構成によれば、整流子面の半径方向の両端部に凹凸形状７の無い平滑面９が形成されているため、実施例１の場合と同様に、高振動によって整流子５の端部に欠けが発生することを低減できる。
【００２８】
また、整流子面の半径方向の両端部に凹凸形状７の無い平滑面９を形成することで、加工途中に凹凸形状７の端部が欠ける恐れも小さく、凹凸形状７の加工が容易である。
更に、整流子面に凹凸形状７が設けられている範囲ａ２が、ブラシ８の幅Ａ２より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲内に設けられているので、図４に示す様に、ブラシ８の両端部に肉厚の薄い凸状部分が形成されることはなく、高振動によってブラシ８の両端に欠けが発生することを低減できる。
【実施例３】
【００２９】
図５および図６はそれぞれ整流子面の凹凸形状７を示す拡大断面図である。
実施例１および実施例２では、整流子面に複数の溝７ａを形成して凹凸形状７を設けているが、この実施例３では、図５及び図６に示す様に、整流子面に複数の凸部７ｂを形成して凹凸形状７を設けている。つまり、整流子面に凹凸形状７を設けることは同じであるが、その凹凸形状７が、整流子面の両端部に形成される平滑面９より低い位置に設けられるか、高い位置に設けられるかの違いである。
【００３０】
また、図５に示す円筒型の整流子５では、実施例１と同じく、整流子面の幅方向（図示左右方向）に凹凸形状７が設けられている範囲ａ１がブラシ８の幅Ａ１より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲内に設けられている。
同様に、図６に示すフェイス型の整流子５では、実施例２と同じく、整流子面の半径方向に凹凸形状７が設けられている範囲ａ２がブラシ８の幅Ａ２より小さく、且つ整流子５とブラシ８との摺動範囲内に設けられている。
これにより、実施例１及び実施例２と同じく、高振動による整流子５およびブラシ８の欠けを低減できる。
【実施例４】
【００３１】
この実施例４は、実施例１〜３に示すブラシ８の曲げ強度を規定した一例である。
先ず、図７を基にブラシ８の曲げ強度を測定する方法について説明する。
ａ）所定の長さを有する断面矩形の試験片１０を準備する。
ｂ）所定の間隔に配置される２個の受台１１に試験片１０をセットする。
ｃ）試験片１０の略中央部に加圧クサビ１２を押し当てながら、一定の加圧速度（例えば２９Ｎ／ｓ以下）で荷重を付与する。
ｄ）試験片１０が破壊した時の最大荷重を計測する。
【００３２】
計測された最大荷重を基に、以下の（１）より試験片１０の曲げ強度を算出する。
曲げ強度＝８×Ｐ×Ｌ／（２×Ａ×Ｂ2 ）…………（１）
Ｌ：支点間の距離（ｃｍ）
Ａ：試験片１０の幅（ｃｍ）
Ｂ：試験片１０の厚さ（ｃｍ）
Ｐ：試験片１０が破壊した時の最大荷重（Ｎ）
本発明の電動機に使用されるブラシ８は、上記の方法によって測定される曲げ強度が１６ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００３３】
内燃機関より高振動が伝わるスタータモータでは、ブラシ８の曲げ強度が小さくなる程、振動によってブラシ８に欠けが発生し易くなる。そこで、上記の測定方法で測定したブラシ８の曲げ強度とブラシ８の振動とをパラメータとして、ブラシ８に欠けが発生する領域を実験により求めた。実験データによれば、図８に示す様に、ブラシ８の曲げ強度が１６ＭＰａ以上であれば、スタータモータの使用範囲で発生するブラシ８の振動に対してブラシ８に欠けが発生することはなく、曲げ強度が１６ＭＰａより小さくなると、高振動によってブラシ８に欠けが発生する結果が得られた。
【００３４】
この実施例４では、上記の実験データを基に、ブラシ８の曲げ強度を１６ＭＰａ以上に設定した。これにより、実施例１〜３の何れかに記載した整流子面に凹凸形状７を有する整流子５と組み合わせた場合でも、高振動によるブラシ８の欠け（特に、整流子面の凹凸形状７に倣って形成されるブラシ摺動面の凸状部分およびブラシ端部での欠け）の発生を低減できる。
なお、多層構造のブラシ８（例えば、抵抗値が異なる複数のブラシ層を接合した多層ブラシ）を使用する場合は、各ブラシ層毎の曲げ強度を面積比率で平均した値が１６ＭＰａ以上であれば良い。
【００３５】
（変形例）
実施例１では、本発明の電動機をスタータモータに適用した一例を説明したが、スタータモータに限定されるものではなく、整流子５とブラシ８を有する電動機に広く適用できる。
実施例２に記載した電動機は、電機子コイル４の一部（上層コイル体４１のコイル端部４１ｂ）を整流子片５０として利用しているが、整流子片５０を電機子コイル４とは別部材によって構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】スタータモータに用いられる電機子の半断面図である（実施例１）。
【図２】実施例１に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。
【図３】スタータモータに用いられる電機子の半断面図である（実施例２）。
【図４】実施例２に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。
【図５】実施例３に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。
【図６】実施例３に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大断面図である。
【図７】曲げ強度の測定方法を示す説明図である（実施例４）。
【図８】ブラシの振動と曲げ強度によるブラシの欠けの有無を示す特性図である（実施例４）。
【図９】従来技術に係る整流子面の凹凸形状を示す拡大図である。
【符号の説明】
【００３７】
１    電機子
２    電機子軸
４    電機子コイル
５    整流子
７    凹凸形状
７ａ  溝
８    ブラシ
９    平滑面
５１    ライザ（接続部）
ａ１    整流子面の幅方向に設けられた凹凸形状の範囲（実施例１、実施例３）。
ａ２    整流子面の半径方向に設けられた凹凸形状の範囲（実施例２、実施例３）。
Ａ１    整流子面の幅方向に沿ったブラシの幅（実施例１、実施例３）。
Ａ２    整流子面の半径方向に沿ったブラシの幅（実施例２、実施例３）。
【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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【図８】
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【図９】
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