JP5669727B2 - 電気機械、特に整流子機械 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械、特に整流子機械であって、ロータへの電流供給のために、整流子の整流子片と共働する複数の炭素ブラシが設けられており、該炭素ブラシが、連続的に又は複数の層区分において、異なった添加剤、例えばクリーニング剤、潤滑剤、オーム抵抗を高めるための媒体もしくは導電性を高めるための媒体及びこれに類したもののような異なった添加剤を有している形式のものに関する。

機械式に整流する整流子機械は、自動車において様々に使用されている。例えば自動車における内燃機関の始動のためには、高出力の直流モータが使用される。この場合電流は、単数又は複数のブラシ対を介して整流子に達し、そこから電気機械の電機子巻線に達する。この場合炭素ブラシは通常、主として銅成分とグラファイト成分とを有する焼結材料から成っている。このような炭素ブラシ及び整流子は運転中に摩耗する。そしてスタータは典型的には、３００００〜６００００の切換えサイクルを有する短時間の運転のために設計されている。

燃料を節約するために、今日では、高い出力と長い運転時間のためのスタータが、例えば内燃機関のスタート・ストップ運転のためのスタータが必要となっている。この際に重要なことは、炭素ブラシの高い耐用寿命のために、整流子の接触面において潤滑とクリーニングとが最適に合わせられることである。炭素ブラシの長い運転時間に基づいて、整流子上における削られたブラシ材料及び過剰な滑膜は、再び除去されねばならない。整流子の表面を良好にクリーニングするために、炭素ブラシ内には種々異なった物質が混ぜられ、これらの物質は、整流子の表面が可能な限り変わらず清浄でかつ同時に潤滑作用のあるライニングを有するようにするために、働く。

公知の構成ではそのために、炭素ブラシに、特定の割合のクリーニング剤が添加剤として混合されている。これによってある程度は、炭素ブラシの表面をコンスタントな清浄な状態に保つことができるが、炭素ブラシは、クリーニング剤の割合を高めるに連れて増大する摩耗を被ることになる。電気機械のすべての炭素ブラシにクリーニング剤を均一に配分することによって、炭素圧着圧が等しい場合、すべての炭素ブラシにおいてクリーニング剤は均一に作用する。

切換えサイクルが高い場合にも、炭素ブラシの相応に長い耐用寿命を保証するためには、整流子の潤滑とクリーニングとを可能な限り良好に合わせることによって、炭素ブラシの摩耗特性を最適化する必要がある。この場合公知の構成では、炭素ブラシが少なくとも２つの層区分を備えていて、これらの層区分は、炭素ブラシの高さ及び幅を超えて炭素ブラシの接触面にまで達している。この場合１つの層区分は、整流機能を改善するために、高いグラファイト割合を有し、他の層区分は、電流案内のための導体層として、高い銅割合を有している。さらに既に公知の構成では、炭素ブラシはクリーニング剤区分を、前記層区分のうちの少なくとも１つの層区分に有しており、この少なくとも１つの層区分のクリーニング剤割合は、炭素ブラシの他の層区分におけるよりも高くなっている。このような構成においても直流モータのすべての炭素ブラシは等しく構成されているので、異なった添加剤もしくは混合物の作用もまた合計されている。従って、例えば摩耗、潤滑、整流及びこれに類したもののような種々異なったパラメータは、比較的大まかにしか調節することができない。

ゆえに本発明の課題は、上記パラメータのうちの１つ又は複数を炭素ブラシにおいて著しく正確に調節することができるようにすることである。

発明の開示
この課題を解決するために本発明の構成では、冒頭に述べた形式の電気機械において、電気機械のすべての炭素ブラシの最大で半分、有利には半分よりも僅かな炭素ブラシが、残りの炭素ブラシとは著しく異なった割合の添加剤を有しているようにした。

このように構成された本発明による電気機械には、次のような利点がある。すなわち本発明による電気機械では、全整流子において有効な、潤滑又はクリーニングのようなパラメータのための添加剤が、もはやすべての炭素ブラシに均一に分配されるのではなく、電気機械におけるただ１つの炭素ブラシに、又は僅かな数の炭素ブラシにだけ集中させられる。そしてこれによって、相応なパラメータの大まかな調節のために最初に、残りのすべての炭素ブラシに、同じ大きさの濃度の添加剤を加え、１つの炭素ブラシにおけるパラメータの精密調節のために濃度を著しく高めることもしくは著しく減じることが、可能になる。相応な形式で種々異なった添加剤を互いに無関係に炭素ブラシ内において精密に調量することができるので、すべての炭素ブラシにおける均一な摩耗や始動モータにおける切換えサイクルの際立った上昇といった、別の利点も得られる。

請求項１に係る本発明の別の有利な構成は、請求項２以下の従属請求項に記載されている。

例えば、炭素ブラシのパラメータを調節するための精密調整の最適化を達成するために有利な構成では、少なくとも１つの炭素ブラシにおける添加剤の割合が、残りの炭素ブラシにおけるよりも少なくとも１０％高い。有利な構成では、異なった割合の添加剤が、炭素ブラシの１つの層区分にだけ含有されており、この場合電気機械のすべての炭素ブラシは、２つ又はそれ以上の層を有している。この場合、前記層区分が、炭素ブラシの高さ及び幅を越えて該炭素ブラシの接触面にまで達していると、有利である。この場合主として、添加剤は、整流子表面をクリーニングするためのクリーニング剤である。

炭素ブラシの摩耗が増大するに連れて、ブラシばねによって生ぜしめられる、整流子における圧着圧が低下するので、本発明の有利な構成では、添加剤の割合が、炭素ブラシの接触面から接続リッツ線に向かって変化しており、有利にはクリーニング剤の割合が増加している。本発明のさらに別の有利な構成では、電気機械の炭素ブラシのうちの少なくとも１つが、残りの炭素ブラシとは著しく異なった割合の別の添加剤を有している。この場合有利には、この別の添加剤は潤滑剤である。さらに最適化されたパラメータ調節のためには、複数存在する炭素ブラシのうちの１つの炭素ブラシ又は炭素ブラシの１つの部分が、有利にはクリーニング剤である１つの添加剤を高い割合で有していて、他の炭素ブラシ又は炭素ブラシの別の部分が、有利には潤滑剤である他の添加剤を高い割合で有している。しかしながらまた択一的に可能な別の構成では、整流子の回転方向において複数の層区分を備えた炭素ブラシが使用される場合に、１つの添加剤が１つの層区分に含有され、かつ他の添加剤が他の層区分に含有されている。

次に図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

整流子モータを整流子領域において断面して示す横断面図である。 添加剤を有する炭素ブラシを示す図である。 添加剤を有しない炭素ブラシを示す図である。 添加剤を有しない、２つの層区分を備えた炭素ブラシを示す図である。 添加剤を有する、２つの層区分を備えた炭素ブラシを示す図である。 １つの炭素ブラシの１つの層区分に添加剤を有する、モータの４つの炭素ブラシを示す図である。 第１の炭素ブラシに第１の添加剤を有し、かつ第２の炭素ブラシに第２の添加剤を有する、モータの４つの炭素ブラシを示す図である。 ６つの炭素ブラシを備えたモータのための択一的な実施形態を示す図である。

発明を実施するための形態
図１には始動モータが符号１０で示されており、この始動モータ１０は、整流子機械として、整流子側の端部において横断面図で示されている。始動モータ１０は、例えばスタート・ストップ装置を備えた自動車における内燃機関を始動回転させるために働く。始動モータ１０は極ハウジング１１を有しており、この極ハウジング１１はその内周部に、６つの永久磁石極（図示せず）を有していて、これらの永久磁石極は、図示されていないロータと共働する。後端部においてロータはそのロータ軸１２に、ロータ巻線への給電のために働く整流子１３を有している。そのために整流子１３はその外周部に整流子片２０を備えており、これらの整流子片２０は、４つの炭素ブラシ１４と共働する。これらの炭素ブラシ１４は、それぞれブラシばね１５と共にブラシソケット１６内に軸方向移動可能に受容されていて、炭素ブラシ１４の接触面２１で整流子に押し付けられている。４つのブラシソケット１６はブラシプレート１７に受容されていて、このブラシプレート１７自体は端面側で、始動モータ１０の後端部に固定されていて、極ハウジング１１を介してアースされている。炭素ブラシ１４はそれぞれその後ろの区分に、接続リッツ線１８を備えている。炭素ブラシ１４は２つのプラス炭素ブラシと２つのマイナス炭素ブラシとを形成している。両プラス炭素ブラシ１４はその接続リッツ線１８を介してプラス端子１９と接触接続され、かつマイナス炭素ブラシはその接続リッツ線１８を介して、ブラシプレート１７の金属薄板条片１７ａに溶接されていて、これによりアースされている。

図１に示された第１実施形態では、４つの炭素ブラシ１４のうちの３つは、連続的に同じ材料組成を有している。これらの炭素ブラシ１４は、主として銅及びグラファイト成分を含有する焼結材料から成っている。銅はこの場合良好な導電性のために働き、グラファイトは整流子片２０における良好な整流のために働く。図２ａには、これら３つのブラシのうちの１つが示されている。ブラシ材料はさらに、クリーニング剤（Putzmittel）及び潤滑剤のようなさらに別の添加剤を僅かな濃度で含有している。３つの炭素ブラシ１４のこの材料組成は、図２ａにおいて符号Ａ′で示されている。炭素ブラシ１４における潤滑剤は、この場合整流子１３の表面において滑膜を形成しており、この滑膜は、炭素ブラシ１４の機械的な摩耗を減じる。それでもなお整流子表面は、常に又は定期的にクリーニングされないと、摩耗したブラシ材料によって徐々に汚される。しかしながらまたすべての炭素ブラシ１４においてクリーニング剤の割合を増すと、これによりブラシの摩耗が激しくなり、ひいては炭素ブラシ１４の耐用寿命が短くなってしまう。

すべての炭素ブラシ１４に対して可能な限り長くかつ同じ長さの耐用寿命を得るために、クリーニング特性は、次のことによって最適化される。すなわちこの場合第４の炭素ブラシ１４においてクリーニング作用が所望のように精密調節され、つまり第４の炭素ブラシ１４においてクリーニング剤の割合は、他の残りの炭素ブラシ１４に対して少なくとも１０％だけ高められる。図２ｂには、他の材料組成Ａ′ａを備えた炭素ブラシ１４ａが示されている。図２ａに示された３つの炭素ブラシ１４ａの材料Ａ′におけるクリーニング剤の割合は、約０.５％であるのに対して、図２ｂに示された第４の炭素ブラシ１４ａの材料Ａ′においては、クリーニング剤の割合は、０.７％によって効果的に高められている。

図３ａ及び図３ｂに示された第２実施形態では、炭素ブラシ１４は公知の形式で、整流子１３の周方向において２つの層区分ＡとＢに分割されている。前側の第１の層区分Ａはここでは、より良好な電流案内のために高められた割合の銅を有し、後ろ側の第２の層区分Ｂは、最適な整流のために高められた割合のグラファイトを有している。層区分Ａにおける材料はさらに、僅かな割合のクリーニング剤を有し、層区分Ｂの材料は僅かな割合の潤滑剤を有している。

摩耗特性とクリーニング特性とを炭素ブラシ１４において互いに無関係に最適に調節するために、図３ｂによれば第４の炭素ブラシ１４ａは、その第１の層区分Ａａにおいてクリーニング剤の割合が残りの炭素ブラシ１４に対して著しく高められ、かつ第２の層区分Ｂｂにおいては潤滑剤の割合が残りの炭素ブラシ１４に対して著しく高められるように、変えられる。この解決策ではこれによって、第１の層区分において第１の添加剤がかつ第２の層区分において第２の添加剤が、残りの炭素ブラシ１４におけるよりも著しく高い濃度で含有されている。

図４には第３実施形態において同様に、図１に示された始動モータのための、各２つの層区分Ａ，Ｂを備えた４つの炭素ブラシ１４が示されている。すべてのブラシの層区分Ｂにおける材料組成が等しいのに対して、第４の炭素ブラシ１４ａの層区分Ａａにおいてだけ、クリーニング剤の割合が残りの炭素ブラシ１４の層区分Ａに対して著しく高められている。

図５に示された実施形態においても同様に、すべての炭素ブラシは２つの層区分Ａ，Ｂを備えている。しかしながらこの場合第１の２つの炭素ブラシ１４だけが同じ材料組成を有している。そして炭素ブラシ１４ａはその層区分Ａａに高められた割合のクリーニング剤を有し、炭素ブラシ１４ｂはそれに対して層区分Ｂｂにだけ高められた割合のクリーニング剤を有している。耐用寿命が長くなるに連れて摩耗により炭素ブラシ１４は短くなるので、整流子１３における炭素ブラシ１４の圧着圧は、ブラシばね１５のばね運動距離が長くなることに基づいて低下してしまう。このような場合においても整流子接触面の十分なクリーニングを保証するために、炭素ブラシ１４ａにおいては層区分Ａａにおけるクリーニング剤の割合が炭素ブラシ１４ａの接触面２１から接続リッツ線に向かって増している。択一的に又は同時に、炭素ブラシにおける圧着力の減少に基づいて、炭素ブラシ１４ｂの層区分Ｂｂにおける潤滑剤を接触面から接続リッツ線１８に向かって減少させることも可能である。

図１に示された６極の始動モータ１０では、プラス及びマイナスの炭素ブラシ１４はそれぞれ互いに対して６０°ずらされている。これによって２つのプラスブラシと２つのマイナスブラシとの間にはそれぞれ１２０°の角度が残されている。高出力の６極式の電気機械では、これに対して互いにそれぞれ６０°ずつ、ずらされている６つの炭素ブラシ１４が使用される。図６には別の実施形態として、このような電気機械の、それぞれ２つの層区分Ａ，Ｂを備えた６つの炭素ブラシが示されている。この６つの炭素ブラシ１４のうちの４つがその材料組成に関して同じであるのに対して、残りの２つの炭素ブラシ１４は他の材料組成を有している。例えば両炭素ブラシ１４ａの層区分Ａａには、高められた割合のクリーニング剤が含まれ、層区分Ｂｂには高められた割合の潤滑剤が含まれている。つまりこの場合クリーニングと滑りであるパラメータの精密調節は、２つの炭素ブラシ１４ａを用いて行われる。

この解決策は、原則的には４つの炭素ブラシを備えた電気機械においても使用することができ、このことは特に、両方のプラスの炭素ブラシがマイナスの炭素ブラシに対して、回転方向に依存した異なった整流特性を有している場合に、有利である。このようになっていると、精密調整のみならず、整流作用の差異を補償することができる。このような解決策では、炭素ブラシ１４の第１の部分１４ａが一方の添加剤の高い割合を有し、かつ炭素ブラシ１４の別の部分１４ｂが他方の添加剤の高い割合を有していると、有利である。

択一的に炭素ブラシ１４は、図６において左側の炭素ブラシ１４に破線で示されているように、第３の層区分Ｃを備えていてもよい。この層Ｃは別の添加剤を含有していても、又は添加剤を含有していなくてもよい。

本発明は図示の実施形態に制限されるものではない。例えば、それぞれの添加剤を単に、選択された炭素ブラシ１４ａ，１４ｂだけに、もしくはその層区分Ａａ，Ｂｂの一方に集中すること、及び残りの炭素ブラシ１４における添加剤を省くもしくは除去することが可能である。同様に、複数の層区分を備えたブラシでは、選択された炭素ブラシ１４ａ，１４ｂにおいて、炭素ブラシ１４ａの両層区分Ａａ，Ｂｂにおいて１つの添加剤を高められた割合で含有することも可能である。さらにまた、３つの層区分を備えた炭素ブラシでは、選択された炭素ブラシに、３つの異なった添加剤を多く調量することも可能である。基本的には、多く調量する代わりに、選択された炭素ブラシにおいて１つの添加剤の割合を、残りの炭素ブラシにおけるよりも小さくすることもできる。整流子において炭素ブラシの圧着力は耐用寿命にわたって減じられることに基づいて、本発明の枠内において、それぞれの添加剤を、炭素ブラシの高さ全体にわたって含有させるのではなく、高さの下側部分にわたってだけ含有させることも可能である。

クリーニング剤としては通常、天然の灰、又は酸化アルミニウムが使用される。潤滑剤としては、例えば二硫化モリブデンが使用される。本発明はまた、長い耐用寿命の獲得を目的として自動車の始動モータにおいて使用できるのみならず、他の使用分野のための整流子機械においても良好に使用可能である。

Claims (12)

1. 電気機械（１０）であって、ロータへの電流供給のために、整流子（１３）の整流子片（２０）と共働する、各々がプラス炭素ブラシまたはマイナス炭素ブラシを形成する複数の炭素ブラシ（１４）が設けられており、該プラス炭素ブラシまたはマイナス炭素ブラシとしての炭素ブラシ（１４）が、連続的に又は複数の層区分（Ａ，Ｂ）において、異なった添加剤（Ａａ，Ｂｂ）を有している形式のものにおいて、電気機械（１０）のすべての炭素ブラシ（１４）の半分よりも僅かな炭素ブラシ（１４）が、残りの炭素ブラシ（１４）とは著しく異なった割合の添加剤（Ａａ，Ｂｂ）を有しており、電気機械（１０）の１つの炭素ブラシ（１４ａ）だけが、残りの炭素ブラシ（１４）とは異なった割合の添加剤（Ａａ）を有していることを特徴とする電気機械。
2. 前記電気機械（１０）が整流子機械であり、前記異なった添加剤（Ａａ，Ｂｂ）が、クリーニング剤、潤滑剤、オーム抵抗を高めるための媒体もしくは導電性を高めるための媒体及びこれに類する添加剤のいずれかである、請求項１記載の電気機械。
3. 少なくとも１つの炭素ブラシ（１４ａ）における添加剤（Ａａ）の割合が、残りの炭素ブラシ（１４）におけるよりも少なくとも１０％高い、請求項１または２記載の電気機械。
4. 異なった割合の添加剤が、炭素ブラシ（１４ａ）の１つの層区分（Ａａ；Ｂｂ）にだけ含有されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電気機械。
5. 前記層区分（Ａａ）が、炭素ブラシ（１４ａ）の高さ及び幅を越えて該炭素ブラシ（１４ａ）の接触面（２１）にまで達している、請求項４記載の電気機械。
6. 添加剤が、整流子表面をクリーニングするためのクリーニング剤である、請求項１から５までのいずれか１項記載の電気機械。
7. 添加剤の割合が、炭素ブラシ（１４ａ）の接触面（２１）から接続リッツ線（１８）に向かって変化している、請求項１から６までのいずれか１項記載の電気機械。
8. 前記添加剤がクリーニング剤である場合、その割合が増加しており、前記添加剤が潤滑剤である場合、その割合が減少している、請求項７記載の電気機械。
9. 電気機械（１０）の炭素ブラシ（１４ｂ）のうちの少なくとも１つが、残りの炭素ブラシ（１４）とは著しく異なった割合の別の添加剤（Ｂｂ）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気機械。
10. 前記別の添加剤（Ｂｂ）が潤滑剤である、請求項９記載の電気機械。
11. 炭素ブラシ（１４）の第１の部分（１４ａ）が、クリーニング剤である１つの添加剤を高い割合で有していて、炭素ブラシ（１４）の別の部分（１４ｂ）が、潤滑剤である他の添加剤を高い割合で有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械。
12. 炭素ブラシ（１４ａ，１４ｂ）が、整流子の回転方向において複数の層区分（Ａ，Ｂ）を有している場合、１つの添加剤が１つの層区分（Ａａ）に含有され、かつ他の添加剤が他の層区分（Ｂｂ）に含有されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械。

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