JPH0670512A - 双方向回転用ブラシ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直流機本来の性能を損なうことなく、火花放
電のない良好な整流を行うことができ、特に、回転子が
双方向回転する場合でも、使用するピッグテールを切替
えることにより、良好な整流を行うことが可能な双方向
回転用ブラシ装置を得ること。 【構成】 ロータ回転方向への抵抗が大きなブラシ本体
２２と、前記ブラシ本体２２のロータ回転方向両側にそ
れぞれ接続された第１の給電線２４及び第２の給電線２
６とを有する。そして、ロータ回転方向に応じて回転方
向上流側の給電線を選択使用し、整流時に電機子コイル
１４に発生する短絡電流を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はブラシ装置、特に直流機
に使用されるブラシ装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、直流モータや直流発電機などで
は、任意の整流子間がブラシを用いて短絡され、整流が
行われるよう構成されている。しかし、電機子コイルの
インダクタンス等により、整流時の電流変化が非常に遅
れ、整流終了時において電流変化が大きくなるため、短
絡コイルのインダクタンスによって大きなリアクタンス
電圧が発生する。これがブラシと整流子間に火花放電を
発生させ、整流子表面を粗くし、凹凸面を形成する。こ
のため、ブラシ装置の摩耗量が大きくなり、その寿命が
著しく減少すると共に、ブラシ自体の振動音も大きくな
ってしまうという問題が発生する。

【０００３】特にモータ等の小型化を実現するために、
高性能マグネットを利用し、マグネットの薄肉化を行う
と、電機子とステータヨーク間の距離が小さくなる。こ
のため、電機子の磁気抵抗が減少し、前記短絡コイルの
インダクタンスによる影響がが大きくなり、前述した問
題がさらに顕著に表れる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このため、従来より、
無火花整流を行うための各種の方法が行われている。そ
の代表的な一つとして、ブラシの位置を磁気的中心まで
シフトするものがある。しかし、負荷変動の大きいモー
タや、上述したインダクタンスが大きなモータでは、ブ
ラシの最適シフト角が変動し易いため、安定した無火花
整流を行うことができない。

【０００５】また、整流子とブラシ間の接触抵抗を大き
くし、良好な整流曲線に沿った抵抗整流を行う方法も存
在するが、接触抵抗が大きくなるため、電機子に印加さ
れる電圧が低下し、モータ性能、特に出力トルクの低下
が避けられないと言う問題がある。

【０００６】また、これ以外にも、特開平４−４６５４
６号公報にかかる提案も知られている。この提案では、
ブラシ前端を低抵抗材料、後端を高抵抗材料を用いて形
成し、火花発生の低減を図っている。

【０００７】しかし、この従来技術においても、ロータ
回転位置によって、整流特性は理想的な整流曲線には近
付かず、特に低抵抗材料と高抵抗材料との境界におい
て、電流の変化が急激になるため、火花の発生を完全に
抑制することは難しいという問題があった。

【０００８】これに加えて、前記従来技術は、片方向回
転型の直流モータに対して使用できるにすぎず、双方向
回転型の直流モータに対しては、適用できないという問
題があった。

【０００９】本発明は、このような従来の課題に鑑みな
されたものであり、その目的は、本来の直流機の性能を
損なうことなく、火花放電のない良好な整流を実現する
ことができ、しかも双方向回転型の直流機に対しても良
好な整流を行うことが可能な双方向回転用ブラシ装置を
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、ロータ回転方向への抵抗が大きなブラシ
本体と、前記ブラシ本体のロータ回転方向両側にそれぞ
れ接続された第１の給電線及び第２の給電線と、を有
し、ロータ回転方向に応じて回転方向上流側の給電線を
選択使用し整流時に電機子コイルに発生する短絡電流を
抑制することを特徴としている。

【００１１】

【作用】このように、本発明のブラシ装置は、ブラシ本
体のロータ回転方向両側にそれぞれ接続された第１およ
び第２の給電線を有し、ロータ回転方向に応じて回転方
向上流側の給電線を選択使用するように構成されてい
る。

【００１２】したがって、ブラシ本体に対する給電点か
ら、ロータ接触面にかけてのブラシ抵抗が、ロータ回転
方向の上流側から下流側に向けて次第に大きくなり、こ
の結果整流時に電機子コイルに発生する短絡電流を抑制
することができる。

【００１３】特に、本発明によれば、整流初期の段階に
おいて、給電点と整流開始側の整流子片との間のブラシ
抵抗が極めて小さくなり、短絡電流を相殺する方向に電
圧が発生することになる。したがって、短絡電流が効果
的に抑制され、火花放電のない良好な整流を行うことが
できる。

【００１４】さらに、従来の抵抗整流のように、ブラシ
と整流子片との接触抵抗を電機子巻線の抵抗より大きく
するようなことがないため、直流機本来の性能を損なう
ことなく、良好な整流動作を行うことができる。

【００１５】これに加えて、本発明によれば、使用する
給電線を切替えるのみで、ロータ部を正転する場合で
も、逆転する場合でも良好な整流を行うことが可能とな
る。

【００１６】

【実施例】次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳
細に説明する。

【００１７】第一実施例 図１〜図５には、いわゆる二重重ね巻きタイプの小型直
流モータに設けられた整流機構の好適な第１実施例が示
されている。

【００１８】図１，図２に示すよう、実施例の直流モー
タには、ロータの回転軸に設けられた整流子１０と、前
記整流子１０と摺動接触するようステータ部側へ設けら
れたブラシ装置２０とを有する。

【００１９】前記整流子１０は、ロータ回転方向に沿っ
てリング状に整列配置された複数の整流子片１２−１，
１２−２，１２−３，……を含み、各整流子片１２−
１，１２−２，１２−３……は、対応する電機子コイル
１４により１つおきに接続されている。このような電機
子巻き線１４の巻き方は、一般に二重重ね巻きと呼ばれ
ている。

【００２０】前記ブラシ装置２０は、図示しないブラシ
ホルダにより整流子１０へ所定の付勢力を持って摺動接
触するように保持されたブラシ本体２２と、このブラシ
本体２２の回転方向両側に接続された第１のピッグテー
ル２４，第２のピッグテール２６とを含む。

【００２１】図３（Ａ）には、前記ブラシ本体２２の外
観斜視図が概略的に示されている。このブラシ本体２２
は、銅および炭素を撹拌混合した後、図中ｘ方向へ加圧
しながらプレス成形したものであり、このようにするこ
とによりブラシ本体２２は、加圧方向（ｘ方向）に向け
た抵抗が大きく、これと直交するＹ方向へ向けた抵抗が
比較的小さくなるという特性を有する。なお、本実施例
では、加圧方向ｘが、ロータ回転方向となるように形成
されている。

【００２２】さらに、このブラシ本体２２は、整流子片
１２の２個分の幅を有しており、整流子１０を図中矢印
方向Ｗへ回転した際、電機子コイル１４で短絡された２
つの整流子片１２−１，１２−３にまたがって整流動作
を行うように形成されている。

【００２３】なお、前記一対のピッグテール２４，２６
の取り付け深さは、ブラシ本体２２の側面中央からさほ
ど深くない位置までとされている。

【００２４】図３（Ｂ）には、前記一対のピッグテール
２４，２６の選択切替えを行う回路が概略的に示されて
いる。ピッグテール切替器３０は、ロータ回転方向に応
じて、回転方向上流側に位置するピッグテールを選択的
に電源に接続するよう構成されている。このような切替
えは、操作者が手動で行ってもよく、また回転方向設定
部３２からの信号を受けてピッグテール切替器３０が自
動的に行うように形成してもよい。

【００２５】図５（Ａ）には、ブラシ機構の整流特性が
示され、図中１００は理想的な整流曲線を表し、１１０
は本実施例の整流曲線を表す。

【００２６】たとえば、図１，図２に示すよう、整流子
１０を矢印Ｗ方向に正転駆動する場合には、ピッグテー
ル切替器３０により、回転方向上流側の第１のピッグテ
ール２４が電源と接続され、下流側の第２のピッグテー
ル２６はオフとなる。このとき、ピッグテール２４から
ブラシ本体２２への給電点２４ａと、整流子接触面２８
との間のブラシ抵抗は、回転方向上流側２２ａから下流
側２２ｂに向けて次第に大きくなる。

【００２７】特に、ブラシ本体２２は、図３のｙ方向に
比べ、回転方向ｘへ向けた抵抗が大きいため、回転方向
上流側の２２ａに比べ、下流側２２ｂのブラシ抵抗は比
較的大きなものとなる。

【００２８】図４には、ピッグテール２４からブラシ本
体２２への給電点２４ａと、整流子片１２−１，１２−
３との間のブラシ抵抗がＲａ，Ｒｂとして示されてい
る。図５（Ｂ）には、このブラシ抵抗Ｒａ，Ｒｂの整流
期間Ｔ内における変化が示されている。整流子１０は、
矢印Ｗ方向に回転し、整流に突入する整流子片１２−１
がブラシ本体２２との接触を開始すると、ブラシ本体２
２と整流子片１２−１との接触面積は次第に増加し、こ
のブラシ抵抗Ｒａは次第に減少してくる。これとは逆に
ブラシ本体２２と整流子片１２−３との接触面積は次第
に減少していき、そのブラシ抵抗Ｒｂが増大していく。

【００２９】ここにおいて、本実施例では、ブラシ本体
２２の給電点２４ａから整流子接触面２８にかけてのブ
ラシ抵抗が、ロータ回転方向上流側から下流側に向けて
次第に大きくなるように形成されている。このため、整
流開始直後から、整流に突入する整流子片１２−１に対
するブラシ抵抗Ｒａは小さくなり、ブラシ本体２２から
離脱しようとする整流子片１２−３に対するブラシ抵抗
Ｒｂが大きくなる。したがって、整流開始直後の比較的
早い時点ｔ₁ において、ブラシ抵抗ＲａがＲｂを下回
り、整流子片１２−１の電圧Ｖａが整流子片１２−３の
電圧Ｖｂを上回るようになり、両整流子片１２−１，１
２−３を短絡する電機子コイル１４（以下短絡コイル１
４という）に、短絡電流ｉ₀ を相殺する方向に電流Ｉａ
が通電される。

【００３０】次に、本実施例の作用を、従来のブラシ機
構と対比しながら説明する。

【００３１】図１０には従来のブラシ機構が示され、こ
のブラシ装置は、ブラシ本体２２の回転方向中央位置に
１本のピッグテール２６が接続されている。ここにおい
て、整流子１０が図中矢印方向へ正転駆動され、整流に
突入する整流子片１２−１とブラシ本体２２との接触が
開始されると、ブラシ本体２２が整流子片１２−１の全
面との接触を完了するまでの間（ブラシ本体２２は整流
子片１２−３から完全に離脱するまでの間）が整流周期
Ｔとなる。この整流周期Ｔにおいて、ブラシ本体２２に
より整流子片１２−１，１２−３間が短絡されると、短
絡コイル１４，整流子片１２−３，ブラシ本体２２，整
流子片１２−１の間で短絡回路が形成され、短絡コイル
１４の誘起電圧によってｉ₀ 方向に短絡電流が流れる。
このとき短絡コイル１４に流れる電流は、整流周期の初
期においてはｉ₀ 方向であるが、整流の終期までにはｉ
₁ 方向へ入れ代わる。このときの理想的な整流曲線は、
図１１において１００で表されている。しかし、従来の
ブラシ機構では、コイルのインダクタンスや短絡コイル
１４に発生する誘起電圧の影響を受けて、１１０，１２
０で示す不足整流となり、整流終期においてブラシ本体
２２と整流子片１２−３との間に火花放電が発生してし
まう。

【００３２】これに対し、本実施例では、ブラシ本体２
２の回転方向Ｗに向けた抵抗が大きく、しかも常にロー
タ回転方向の上流側のピッグテール２４から電流を供給
する。したがって、図１に示す整流初期の段階で、整流
子片１２−１に対するブラシ抵抗Ｒａが整流子片１２−
３に対するブラシ抵抗Ｒｂを下回り、両整流子片１２−
１，１２−３間には短絡電流ｉ₀ を相殺する方向に電圧
が発生する。これに加えて、ブラシ本体２２の回転方向
へ向けた抵抗が比較的大きくなるように形成されている
ため、この面からも短絡電流ｉ₀ が抑制される。

【００３３】このように、本実施例では、整流初期の早
い段階で短絡コイル１４内を流れる電流がｉ₀ からｉ₁
へ変化しようとするため、過整流ぎみとなるが、実際に
は前述した誘起電圧やインダクタンスの影響が、誘起電
圧の影響を小さくしても存在するため、これらが合成さ
れ、結果として図５において１３０で示すような整流曲
線に沿って、整流が開始されることになる。

【００３４】そして、図２に示す整流後期の段階では、
整流子片１２−１はブラシ本体２２の高電圧領域と十分
接触しているのに対し、整流子片１２−３はブラシ本体
２２の低電圧領域とわずかな面積で接触しているに過ぎ
ない。したがって、短絡コイル１４内には、ｉ₁ 方向
に、整流終了後に同短絡コイル１４内に流れる電機子電
流Ｉ／２とほぼ等しい電流が流れ、電流変化が非常に小
さい状態で整流が終了することになる。

【００３５】特に、本実施例によればブラシ抵抗Ｒａ，
Ｒｂが整流の進行と共になだらかに変化し、整流の全期
間内において急激な電流変化が発生することはない。

【００３６】したがって、本実施例によれば図５（Ａ）
に示すよう理想的な整流曲線１００に近い整流曲線１３
０に沿って、整流を行うことが可能となり、ブラシシフ
トなどの整流対策を施せないようなＤＣモータにあって
も、火花の発生のない良好な整流を行うことが可能とな
る。

【００３７】これに加えて、本実施例によれば、ブラシ
本体２２は、回転方向と直交するｙ方向に対する抵抗が
小さいため、ブラシ本体２２全体を高抵抗にし、整流の
改善を図るのに比べて、ブラシ本体２２部分での電圧低
下が少なくなり、出力トルクの低下などといった直流機
の本来の性能を損なうことがない。

【００３８】また、本実施例の装置では、ロータが矢印
Ｗとは逆方向に回転駆動する場合でも、ピッグテール切
替器３０を用いて第２のピッグテール２６からの給電を
行うことにより、ロータを正転する場合と同様に良好な
整流を行うことができる。

【００３９】第２実施例 図６には、本発明の好適な第２実施例が示されている。
実施例のブラシ本体２２は、整流子片接触面４４，４６
が直角三角形の三角柱形状のブラシ部４０，４２を、絶
縁材４８を用いて一体的に貼り合わせることにより形成
されている。これら各ブラシ部４０，４２は、前記第１
実施例と同様、ｘ方向に高抵抗なものとして形成され、
両者が一体的に貼り合わされた状態で、第１実施例と同
様な四角柱形状となるように形成されている。

【００４０】ここにおいて、ブラシ部４０，４２と、各
整流子片１２−１，１２−２，１２−３との接触部を
，，，，，とすると、以下に記述する理由
から、実施例のブラシ装置は、短絡コイル１４内を流れ
る電流をｉ₀ からｉ₁ の向きに早く変えようとする作用
が、前記第１実施例よりもさらに効果的になる。

【００４１】すなわち、整流の初期において、短絡コイ
ル１４内をｉ₀ 方向に流れようとする電流は、前記第１
実施例と同様、各ブラシ部４０，４２がｘ方向に高抵抗
であることから速やかに減衰される。

【００４２】これに加えて、整流子１０が矢印Ｗ方向に
回転する場合に、電源に接続されたピッグテール２４に
対しブラシ部４０内の電位は，，の順に徐々に小
さくなり、しかもブラシ部４０と整流子片との接触抵抗
は、接触面積の小さなの領域で特に大きくなる。さら
に、〜の導通経路は、→→整流子片１２−２→
→となる。ここにおいて、→１２−２→の部分
で、ブラシ本体２２と整流子１０との間の接触抵抗が発
生するため、〜の導電経路の抵抗が前記第１実施例
に比べより大きくなり、の領域における電位はより低
いものとなる。

【００４３】したがって、整流周期Ｔ内において、短絡
コイル１４内を流れる電流をｉ₀ からｉ₁ の向きに変え
ようとする作用が、前記第１実施例より効果的に発生す
ることになる。

【００４４】第３実施例 図７には、本発明の好適な第３実施例が示されている。
図６に示す実施例では、長方形の対角線を結ぶようにし
て四角柱を２つのブラシ部４０，４２に切断し、両ブラ
シ部４０，４２を絶縁材４８を用いて接着固定したもの
である。

【００４５】これに対し、本実施例では、四角柱形状を
断面台形形状をした２つのブラシ部４０，４２に分割
し、両ブラシ部４０，４２を絶縁材４８で接着固定した
ものである。

【００４６】このようにすることにより、ブラシ部４０
と整流子片１２−３との接触面積は、前記第２実施例
に比べ非常に小さくなり、しかも〜を結ぶ導通経路
も、→→１２−２→→という経路となり、→
１２−２→の接触抵抗部分があるため、その抵抗も大
きなものとなる。したがって、実施例のブラシ本体２２
は、給電点２４ａからロータ接触面にかけてのブラシ抵
抗が、ロータ回転方向上流側から下流側に向けて前記第
１実施例，第２実施例より大きなものとなる。したがっ
て、短絡コイル１４内を流れる短絡電流ｉ₀ を効果的に
抑制することができる。これに加えて、の接触面積が
前記第２実施例より小さいことから、電流をｉ_o からｉ
₁ の向きに変えようとする作用も、前記第２実施例以上
に効果的なものとなる。

【００４７】これに加えて、本実施例では、整流後期に
早く整流を終了をさせるように作用するが、高抵抗なが
らも２つのブラシ部４０，４２が整流子１０を介して導
通されているため、整流周期Ｔが短くなってしまうこと
もない。

【００４８】さらに、本実施例では前述したように２つ
のブラシ部４０，４２とを組み合わせ、ブラシ本体２２
のロータ回転方向へ向けた抵抗が前記第１，第２実施例
に比べ大きくなるように形成されている。したがって、
ブラシ部４０，４２が、ロータ回転方向に高抵抗なもの
として形成されない場合でも、ブラシ本体２２全体とし
ては、ロータ回転方向への抵抗が大きくなり、良好な整
流を行うことができる。

【００４９】第４実施例 図８には、本発明の好適な第４実施例が示されている。
本実施例では、ブラシ本体２２をロータ回転方向に３分
割し、３個のブラシ部５０，５２，５４を絶縁材５６を
用いて一体的に接着形成したものである。以上の構成と
することにすることにより、ブラシ部５０，５２，５４
間はそれぞれ整流子片１２を介して、相互に接続される
ことになるため、ブラシ本体２２全体としては、前記各
実施例に比べロータ回転方向への抵抗が極めて大きなも
のとなる。

【００５０】特に、各ブラシ部５０，５２，５４とし
て、ｘ方向へ向けた抵抗がそれ程大きなものでないもの
を用いた場合でも、ブラシ本体２２全体としては、ロー
タ回転方向へ向けた抵抗が非常に大きくなり、良好な整
流を実現することができる。

【００５１】また、本実施例では、中央のブラシ部５２
のみを高抵抗材料を用いて形成すれば、より良好な整流
を実現することができる。

【００５２】第５実施例 図９には、本実施例の好適な第５実施例が示されてい
る。

【００５３】実施例のブラシ本体２２は、前記第１実施
例のようにブラシ本体の成形時の加圧方向をｘとするこ
とにより、ｘ方向を高抵抗にするのではなく、中央に高
抵抗材料、両端に低抵抗材料を用いた積層ブラシとして
ブラシ本体２２を形成したものである。

【００５４】以上の構成とすることによっても、良好な
整流を実現することができる。

【００５５】その他の実施例 図１２，図１３には、本発明の他の実施例が示されてい
る。前記各実施例では、本発明を二重重ね巻きの直流機
に適用した場合を例にとり説明したが、本発明はこれに
限らず、例えば図１１，図１２に示すよう、通常の重ね
巻きタイプの直流機に対しても適用することができる。
この場合には、二重重ね巻きのＤＣモータに比べ、ロー
タ回転方向へ向けたブラシ本体２２の幅が小さくなる。
このため、その整流効果は二重重ね巻きの場合に及ばな
いものの、それに準じた効果を得ることができる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
直流機本来の性能を損なうことなく、火花放電のない良
好な整流を行うことができ、特に、回転子が双方向回転
する場合でも、使用する給電線を切替えることにより、
良好な整流を行うことが可能な双方向回転用ブラシ装置
を得ることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用された双方向回転用ブラシ装置の
好適な第１実施例の概略説明図ある。

【図２】本発明のブラシ装置の第１実施例の説明図あ
る。

【図３】同図（Ａ）は、第１実施例のブラシ本体の概略
斜視説明図であり、同図（Ｂ）は、ブラシ本体に接続さ
れるピッグテールの切替回路のブロック図である。

【図４】第１実施例のブラシ装置の等価回路図である。

【図５】同図（Ａ）は、第１実施例のブラシ装置の整流
特性の説明図であり、同図（Ｂ）は整流期間内における
ブラシ抵抗の変化の様子を示す説明図である。

【図６】本発明のブラシ装置の好適な第２実施例の概略
説明図である。

【図７】本発明のブラシ装置の好適な第３実施例の概略
説明図である。

【図８】本発明のブラシ装置の好適な第４実施例の概略
説明図である。

【図９】本発明のブラシ装置の好適な第５実施例の概略
説明図である。

【図１０】従来のブラシ装置の概略説明図である。

【図１１】従来のブラシ装置の整流特性の説明図であ
る。

【図１２】本発明の他の実施例の概略説明図である。

【図１３】本発明の他の実施例の概略説明図である。

【符号の説明】

１０ 整流子 １２ 整流子片 １４ 電機子コイル ２０ ブラシ装置 ２２ ブラシ本体 ２４ ピッグテール ２６ ピッグテール ２８ 整流子接触面 ３０ ピッグテール切替器 ３２ 回転方向設定部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータ回転方向への抵抗が大きなブラシ
   本体と、 前記ブラシ本体のロータ回転方向両側にそれぞれ接続さ
   れた第１の給電線及び第２の給電線と、 を有し、ロータ回転方向に応じて回転方向上流側の給電
   線を選択使用し整流時に電機子コイルに発生する短絡電
   流を抑制することを特徴とする双方向回転用ブラシ装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 ロータ回転方向に応じて、回転方向上流側の給電線を選
   択的に電源に接続する給電線切替え手段を含むことを特
   徴とする双方向回転用ブラシ装置。