(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心に沿って延伸する円筒又は円柱の半径方向において、
外周側に位置して、金属層ポーラスを有する金属材料で形成される摺動金属層と、
内周側に位置して、絶縁層ポーラスを有する熱硬化性樹脂で形成される電気絶縁層と、
前記摺動金属層と前記電気絶縁層との間に位置して、前記金属材料と前記熱硬化性樹脂とを混合して含み、前記摺動金属層から前記電気絶縁層に向かって、前記金属材料の含有率が減少するとともに前記熱硬化性樹脂の含有率が増加する、傾斜機能材料と、
を備える整流子。
【請求項２】
前記金属材料は、銅粉末である、請求項１に記載の整流子。
【請求項３】
前記金属層ポーラスと前記絶縁層ポーラスのうち、少なくともいずれか一方に摺動潤滑油を含浸させた請求項１または２のいずれか一項に記載の整流子。
【請求項４】
さらに、電機子巻線が電気的に接続されるフックを成し、金属バルク材で形成される巻線接続部と、を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の整流子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の整流子と、
前記整流子を含む電機子組立体と、
前記電機子組立体と対向して位置する界磁組立体と、
を備える整流子電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、家庭用掃除機や自動車用機器などに使用される整流子電動機およびその整流子電動機が備える整流子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用掃除機や自動車用機器に使用される電動機において、特に、小型・安価で耐久性が高い整流子電動機に対する需要が増大している。
【０００３】
整流子電動機は、整流子片と摺動ブラシを接触させることで、整流子電動機の外部に位置する電源から、この摺動ブラシを介して回転する整流子へ電流を流すようになっている。なお、摺動ブラシと整流子片との電気的接続が接触により行われているため、その接触部分では火花が発生し、高温になり易い。
【０００４】
また、整流子片と、整流子片をモールド保持する絶縁性樹脂との熱膨張係数がそれぞれ異なる。よって、摺動ブラシと整流子片との接触により生じる熱の影響を受けて、それぞれの境界面には、熱歪が集中し易い。さらに、整流子が取り付けられる回転子が高速回転するため、整流子片には、遠心力が作用する。
【０００５】
したがって、熱歪が集中した境界面は剥がれて外側に膨らむことがある。場合によっては、整流子片が部分的に膨らみ、整流子片の外周面に凹凸が生じることとなる。この凹凸の生成により、整流子片と摺動ブラシとの間で生じる火花が大きくなり、ついにはリングファイヤが生じる。この結果、摺動ブラシの異常摩耗や、絶縁性樹脂の破損による整流子片の飛び散り等が起こるため、電動機が停止してしまうという問題点があった。
【０００６】
上記の問題点を解決するための先行技術として、傾斜機能材を利用した整流子が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この整流子は、傾斜機能材料を用いて、整流子内の整流子片と整流子をモールドする絶縁性樹脂との境界面を無くすことで、熱応力を分散し、高速で回転して遠心力が作用しても剥離や亀裂が生じ難いという効果を有していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平４−１０９８４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の整流子では、円筒に形成した導電性金属層をスリットにて切断、分割することで整流子片を形成しているため、導電性金属層の硬度が従来の無酸素銅材にくらべて高くなる。よって、整流子片と、高速回転する電動機の摺動ブラシとの間の摺動性が低下し、スパークの増大、寿命の低下が考えられる。
【０００９】
その改善策として、導電性金属層と摺動する整流子電動機の摺動ブラシを、樹脂系ブラシとするものがある。しかし、本構成では、摺動ブラシ自体の硬度を下げることにより追従性を向上させているものの、追従性に限界があり、高速回転する整流子電動機においては、しばしば火花の発生を招いていた。
【００１０】
そこで、整流子片と摺動ブラシとの間の摺動性を向上し、火花の発生を抑える摺動潤滑油を摺動ブラシ中に含浸する手法がしばしば採用されている。しかし、樹脂系ブラシは内部に樹脂残留成分を有しているため、内部にポーラスを形成することができず、摺動潤滑油を含浸させることができなかった。
【００１１】
更には、導電性金属層の硬度が従来の無酸素銅材にくらべて高くなるために、電機子巻線との接続方法に関しても、整流子片に複数の溝を設け、その溝に巻線を埋設し溶着するスリット結線が一般的となる。よって、整流子片との接続の自動化が難しく、生産性にも課題があった。
【００１２】
更には、整流子電動機の性能を改善するため、電機子巻線を太線化することに関しても、円筒形状した導電性金属層の外径寸法により結線できる巻線径が限られるため、電機子巻線を太線化するには限界があった。それを解決するために外径寸法を大きくした場合は、整流子片の重量が重くなり、高速化できない課題も有していた。
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、整流子電動機の整流改善による長寿命化と、生産性改善による低価格化、更には電機子巻線の太線化による高効率化を実現する整流子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る整流子は、軸心に沿って延伸する円筒又は円柱の半径方向において、摺動金属層と、電気絶縁層と、傾斜機能材料と、を備える。
【００１５】
摺動金属層は、外周側に位置して、金属層ポーラスを有する金属材料で形成される。電気絶縁層は、内周側に位置して、絶縁層ポーラスを有する熱硬化性樹脂で形成される。傾斜機能材料は、摺動金属層と電気絶縁層との間に位置する。傾斜機能材料は、金属材料と熱硬化性樹脂とを混合して含む。傾斜機能材料は、摺動金属層から電気絶縁層に向かって、金属材料の含有率が減少するとともに熱硬化性樹脂の含有率が増加する。特に、金属材料は、銅粉末である。
【００１６】
これにより、樹脂系ブラシに含浸させることができなかった摺動性を向上し、火花の発生を抑える摺動潤滑油を整流子中に含浸させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る整流子は、金属層ポーラスと絶縁層ポーラスのうち、少なくともいずれか一方に摺動潤滑油を含浸させている。これにより、摺動部へ摺動潤滑油を供給することとなり、高速回転、高温の条件下で、より安定した摺動性を確保することとなる。
【００１８】
また、本発明に係る整流子は、巻線接続部をさらに備える。巻線接続部は、摺動金属層と電機子巻線を電気的に接続するためのフックを有する。巻線接続部は、金属バルク材で形成される。これにより、電機子巻線をフック状に形成した巻線接続部に対して、α状に巻き付けることにより、連続的に結線することができる。その後、フック部を発熱変形・溶着させることで電気的に接続することができるため、結線工程における生産性、品質を向上させることができる。
【００１９】
さらに、本発明に係る整流子は、巻線接続部において、巻線を固定する部分の直径が、摺動金属層の直径より大きい。本構成により、太線化した電機子巻線を摺動ブラシと摺動する摺動金属層の外径を大きくすることなく、巻線・接続することができる。よって、電機子コイルの巻線抵抗を低減させることにより、抵抗損失を小さくすることができ、その結果として整流子電動機の高効率化を実現することになる。
【００２０】
また、放電プラズマ焼結法を用いて、傾斜機能材料を製造できる。よって、明確な境界面は構成されず、境界面に生じるミクロな空隙などは生じない構成とすることができる。
【００２１】
加えて、本発明に係る整流子は、従来の整流子で採用していた摺動ブラシが摺動する摺動金属層の外径寸法を、巻線接続部の径方向寸法より小さくする際には、フックを形成する外径寸法から摺動ブラシが摺動する寸法に切削、除去加工する必要がない。よって、導電金属材の使用量を削減することができ、安価な整流子とすることもできる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、整流子電動機の整流改善による長寿命化と、電機子巻線の巻線・結線工程における生産性改善・品質の向上、更には電機子巻線の太線化による高効率化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１における整流子電動機の半断面図
【図２】本発明の実施の形態１における整流子の半断面図
【図３】本発明の実施の形態２における整流子の半断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施例によって本発明が限定されるものではない。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における整流子電動機の半断面図である。図２は、本発明の実施の形態１における整流子の半断面図である。
【００２６】
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態１における整流子を用いた整流子電動機について説明する。図１に示すように、本発明の実施の形態１おける整流子電動機１０は、後述する整流子１と、整流子１を含む電機子組立体１２と、電機子組立体１２と対向して位置する界磁組立体１１と、を備える。
【００２７】
さらに、図面とともに、詳細に説明する。図１に示す整流子電動機１０は、界磁組立体１１と、電機子組立体１２を内包している。界磁組立体１１は、界磁コア１１ａと、界磁コイル１１ｂと、を有している。界磁コア１１ａは、円筒状のブラケット１５に内包し、保持、固定された磁性鋼板を積層して形成される。界磁コイル１１ｂは、界磁コア１１ａに巻回される。この界磁組立体１１の中央部に、電機子組立体１２が内包される。電機子組立体１２は、電機子コア１２ａと、電機子コイル１２ｂと、整流子１と、を備える。電機子コア１２ａは、磁性鋼板等を積層して形成される。電機子コイル１２ｂは、インシュレータ１２ｄを介して電機子コア１２ａに巻回される。整流子１は、電機子コイル１２ｂから引き出された電機子巻線１２ｃが電気的に接続される。
【００２８】
この電機子組立体１２は、軸心に沿って中心部を貫通し、電機子組立体１２に圧入して固定されたシャフト１３と、前記シャフト１３に圧入固定した一対の軸受１４により、回転自在に保持固定されている。また、整流子１の整流子片２には、カーボン等により構成された一対の摺動ブラシ１６が、整流子１の垂直（ラジアル）方向からブラシスプリング１７により一定の当接力で接触している。
【００２９】
ここで、整流子電動機１０に電源が供給されると、整流子電動機１０内に流れる電流により界磁組立体１１の界磁コイル１１ｂに磁界が発生し、その発生した磁界に基づいて界磁コア１１ａに磁束が流れることとなる。また、界磁コイル１１ｂに流れた電流は、摺動ブラシ１６と整流子１を介して、電機子コイル１２ｂに電流が供給されることになる。
【００３０】
その結果、界磁組立体１１で発生した磁束と、電機子コイル１２ｂを流れる電流により、回転方向に回転トルクが発生し、電機子組立体１２が回転する。更に、摺動ブラシ１６から供給される電流は、整流子１を構成する複数個の整流子片２により、電機子コイル１２ｂの位置関係により、回転方向に対して一定方向の回転トルクを発生するように転流が行われる。よって、電機子組立体１２が安定して回転する。
【００３１】
次に、図２を用いて、整流子の構造について説明する。本発明の実施の形態１における整流子１は、図中、一点鎖線で示される軸心に沿って延伸する、円筒又は円柱の半径方向において、摺動金属層３と、電気絶縁層５と、傾斜機能材料４と、を備える。摺動金属層３と、電気絶縁層５と、傾斜機能材料４と、は、軸心を中心として、同心円状に配置される。
【００３２】
摺動金属層３は、外周側に位置して、金属層ポーラスを有する金属材料で形成される。特に、金属材料は、銅粉を用いることができる。電気絶縁層５は、内周側に位置して、絶縁層ポーラスを有する熱硬化性樹脂で形成される。傾斜機能材料４は、摺動金属層３と電気絶縁層５との間に位置する。傾斜機能材料４は、金属材料と熱硬化性樹脂とを混合して含む。傾斜機能材料４は、摺動金属層３から電気絶縁層５に向かって、金属材料の含有率が減少するとともに熱硬化性樹脂の含有率が増加する。
【００３３】
特に、顕著な作用効果を奏する形態として、以下の構成がある。すなわち、本発明の実施の形態１における整流子１は、金属層ポーラスと絶縁層ポーラスのうち、少なくともいずれか一方に摺動潤滑油が含浸される。
【００３４】
さらに、図面とともに、詳細に説明する。図２（ａ）に示すように、整流子１は、円筒又は円柱の半径方向において、外周側に摺動金属層３を、内周側に電気絶縁層５を、前記摺動金属層３と前記電気絶縁層５の間に傾斜機能材料４を、それぞれ同心円状に配置した構成となっている。
【００３５】
また、摺動ブラシ（１６）と接触する外周側に位置する摺動金属層３は、内部に微小の金属層ポーラスを有する銅粉末で構成される。摺動金属層３は、銅粉末冶金により形成されている。また内周側に位置する電気絶縁層５は、内部に微小の絶縁層ポーラスを有するフェノール材等の熱硬化性樹脂により構成されている。金属層ポーラス又は絶縁層ポーラス中のいずれかには、摺動潤滑油が含浸されている。この摺動潤滑油により、摺動ブラシ（１６）と摺動金属層３の間の摺動が安定化し、整流火花が抑制される。
【００３６】
本構成により、電機子組立体１２の回転により発生する遠心力と整流子１自体の発熱により、外周側に位置する摺動金属層３内部の金属層ポーラスを経由して、電気絶縁層５に含浸した摺動潤滑油が、摺動金属層３表面に析出してくることになる。
【００３７】
また、摺動潤滑油の析出量は、整流子１が高速、高温で回転し、摺動・整流が不安的となりやすい条件下であっても、整流子１の回転による遠心力で、より多くの摺動潤滑油を供給することができる。従って、高速回転、高温の条件下で、より安定した摺動性を確保することとなる。
【００３８】
なお、傾斜機能材料とは、組成、組織が異なる複数の素材の組成が連続的に変化し、一体的に組み合わされた材料のことである。具体的には、傾斜機能材料４は、摺動金属層３から電気絶縁層５に向かって、金属材料の含有率が減少するとともに熱硬化性樹脂の含有率が増加する。ここでの傾斜機能材料４は、銅粉末治金と熱硬化性樹脂との組成比率を連続的に変えたものである。具体的には、銅粉末と熱硬化性樹脂との組成比率が、摺動金属層３から電気絶縁層５に向かって、銅粉末の含有率が減少するとともに、熱硬化性樹脂の含有率が増加する。
【００３９】
特に、この傾斜機能材料４は、放電プラズマ焼結法を用いて製造することができる。放電プラズマ焼結法を用いれば、傾斜機能材料４の境界面は、放電プラズマ焼結体によって一体的に形成される。すなわち、傾斜機能材料４が一体化して構成されるため、摺動金属層３と傾斜機能材料４との間、および、傾斜機能材料４と電気絶縁層５との間において、明確な境界面は形成されず、境界面に生じるミクロな空隙などは生じない。
【００４０】
また、他の実施の形態として、図２（ｂ）に示すように、整流子（１）には、摺動潤滑油をより多く含浸するフェルト等より構成された給油機構７を追加してもよい。本構成とすれば、長期に亘って摺動潤滑油を供給できるため、より長い期間、整流安定性を確保することができる。
【００４１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における整流子の半断面図である。
【００４２】
図３を用いて、本発明の実施の形態２における整流子について説明する。なお、上述した実施の形態１で説明した構成要素と同じものについては、同じ符号を付して、その説明を援用する。
【００４３】
図３に示すように、本発明の実施の形態１おける整流子（１）は、さらに、電機子巻線１２ｃが電気的に接続されるフック２ｂを成し、金属バルク材で形成される巻線接続部を備える。
【００４４】
さらに、図面とともに、詳細に説明する。図３に示すように、整流子（１）は、摺動ブラシ１６と接触する摺動金属層３と、フック２ｂが形成された巻線接続部２ａとを有している。摺動金属層３は、銅粉末冶金により構成される。巻線接続部２ａは、フック２ｂを介して、整流子電動機１０が有する電機子巻線１２ｃと電気的に接続される。巻線接続部２ａは、金属バルク材で形成される。巻線接続部２ａは、電機子巻線１２ｃを保持・固定する。巻線接続部２ａのフック２ｂの根元直径ｄ１は、摺動ブラシ１６が当接する摺動金属層３の直径ｄ２より大きくなっている。
【００４５】
この整流子片２の形状とすれば、電機子巻線１２ｃを整流子片２と結線する際に、電機子巻線１２ｃをフック２ｂに対して、α状に巻き付けるだけで機械的な接続を完了することができ、連続的に結線をすることができる。
【００４６】
更に、巻線接続部２ａが金属のバルク材で構成されているために、フック２ｂを発熱・折り曲げ変形・溶着させることで、確実に電気的接続を確保することができるため、結線・接続工程における生産性・品質を確保することができる。
【００４７】
更に、図３（ｂ）に示すように、電機子巻線１２ｃが固定される巻線接続部２ａの直径ｄ１を摺動金属層３の直径ｄ２より大きくすることで、フック２ｂに対して、電機子巻線１２ｃがα状に巻き付けた際に、隣り合う巻線コイル同士の空間距離Ｘや、巻線コイルの巻き初めあるいは巻き終わり部分と、隣り合う巻線コイルとの空間距離Ｙを、容易に確保することができる。よって、より太線の電機子巻線を接続することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、高速動作時における摺動ブラシの安定化を図ることができるため、家庭用掃除機や自動車用機器など、長寿命で信頼性が要求される電気機器等に適用できる。
【符号の説明】
【００４９】
１    整流子
２    整流子片
２ａ    巻線接続部
２ｂ    フック
３    摺動金属層
４    傾斜機能材料
５    電気絶縁層
１０    整流子電動機
１２ｃ    電機子巻線
１６    摺動ブラシ
【図１】
0006473890.tif 000002
【図２】
0006473890.tif 000003
【図３】
0006473890.tif 000004