JP3042396B2

JP3042396B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP3042396B2
Application number: JP8060783A
Authority: JP
Inventors: 正巳新美
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-06-27
Filing date: 1996-03-18
Publication date: 2000-05-15
Anticipated expiration: 2016-03-18
Also published as: JPH0974721A; US5744889A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ブラシとの摺接面
が回転軸と略直角を成す整流子を備えた回転電機に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、自動車用スタータでは、エンジン
の高性能化に伴う補機部品等の増加によりエンジンルー
ム内の余裕スペースが減少していることから、益々小型
化が要求されており、それに対応して小型化に適した減
速型スタータが主流になりつつある。この減速型スター
タでは、減速機の減速比を上げて電動機の小型化を図っ
た場合、必然的に高回転となる。このため、電動機に用
いられる整流子は、複数の整流子片（セグメント）を円
筒状に並べてモールド樹脂で固着した円筒形整流子より
も、回転軸に対して略直角の摺接面を持った所謂サーフ
ェイス形整流子の方が高回転に対して強度的に有利であ
ると言える。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のサー
フェイス形整流子を用いた電動機では、整流子の外径に
よってブラシの大きさが決まるため、電動機（電機子）
を小型化して整流子の外径を小さくした場合、必然的に
ブラシを小さくする必要がある。この結果、整流子の摺
接面に対するブラシの当り面積が小さくなって電流密度
が高くなることから、ブラシの温度上昇が大きくなって
しまう。このブラシの温度上昇が過大であると、ブラシ
自体も摩耗が増加して寿命が短くなる。また、ブラシの
温度上昇によってブラシが摺接する整流子の摺接面も過
熱するため、摺接面の表面状態が悪化してブラシの摺動
状態が不良となることから、ブラシの寿命が益々短くな
ってしまうという悪循環に陥ることがある。

【０００４】なお、実公平４−４１７４８号公報に記載
された直流電動機では、整流子の耐遠心強度に対する補
強を行なうことで、サーフェイス形整流子の外径を電機
子の直径より大きくした直流電動機が開示されている。
これによれば、電機子を小型化してもサーフェイス形整
流子の外径を大きく取れるため、ブラシを小型化するこ
となくブラシの体積を大きく保つことができる。しか
し、この場合、整流子の耐遠心強度に対する格別の補強
を必要とすることからコスト高となると共に、来の目的
であるスタータの小型化に対して障害となる。

【０００５】従って、ブラシを小型化して温度上昇を抑
えることが望ましいが、スタータに使用される電動機で
は短時間（通常３０秒程度）に大電流が流れるため、強
制冷却等による空冷効果が期待できない。このため、ブ
ラシの体積を電機子の小型化に応じて小さくしたままブ
ラシの温度上昇を低減するためには、ブラシの熱を熱伝
導によって如何に効率良く放熱するかがポイントとな
る。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、熱伝導による放熱性を向上することでブラシ
の温度上昇を低減できる回転電機を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、付勢手段に付勢されるブラシの後端面が傾斜して設
けられていることから、ブラシには付勢手段の垂直分力
と水平分力とが作用する。垂直分力は、ブラシを整流子
の摺接面に押圧する方向に作用し、水平分力は、外径側
から内径側へブラシを押圧する方向に作用する。一方、
ブラシの軸方向から見た外周形状は、外径側から内径側
へ向かって幅が狭くなる略台形形状に設けられて、且つ
ブラシ保持器の内周形状もブラシの外周形状に相応した
略台形形状である。従って、付勢手段の付勢力の水平分
力を受けるブラシは、ブラシ保持器に対して外径側から
内径側へ向かって押し込まれるため、少なくともブラシ
の一外周面がブラシ保持器の一内周面に密接する。これ
により、ブラシの熱が熱伝導性を有するブラシ保持器へ
効率良く伝わることにより、ブラシの温度上昇が低減さ
れる。

【０００７】請求項２の発明によれば、付勢手段の付勢
力の水平分力を受けてブラシ保持器の内径側へ押し込ま
れたブラシは、周方向の両側面がブラシ保持器の内周側
面に密接した状態で保持されることにより、ブラシとブ
ラシ保持器との接触面積を増加させることができる。ブ
ラシからブラシ保持器への熱の伝導量は、両者の接触面
積が増加する程大きくなることから、ブラシの熱はより
多くブラシ保持器へ伝わって、ブラシの温度上昇を低減
できる。

【０００８】請求項３の発明によれば、ブラシは、周方
向の両側面がブラシ保持器の内周側面に密接した状態で
ブラシ保持器に保持され、且つ径方向の幅が周方向の幅
より大きく設けられている。これにより、ブラシとブラ
シ保持器との接触面積を大きくできるため、ブラシの熱
が熱伝導性を有するブラシ保持器へ効率良く伝わること
により、ブラシの温度上昇が低減される。

【０００９】

【００１０】請求項４の発明によれば、正極側のブラシ
を保持するブラシ保持器を熱伝導率の高い絶縁材料（例
えば、グラファイトやアルミナ等を配合した樹脂、高熱
伝導率セラミック等）により構成することで、ブラシに
対する絶縁性を損なうことなく、ブラシの熱がブラシ保
持器に伝わってブラシの温度上昇を低減できる。

【００１１】請求項５の発明によれば、正極側のブラシ
を保持するブラシ保持器は、熱伝導性に優れた部材に接
触する電気絶縁性を備えた高熱伝導部材を介してブラシ
の両側面を保持することにより、ブラシ保持器自体の熱
伝導性は低くても良い。このため、ブラシ保持器を請求
項４に記載した様な熱伝導率の高い絶縁材料で構成した
場合と比較して、ブラシ保持器の材料費を低減できる。
なお、ブラシの熱は、高熱伝導部材を介して熱伝導性に
優れた部材（例えば回転電機の金属フレーム）に伝導し
た後、例えば外気に放出される。

【００１２】

【００１３】

【００１４】請求項６の発明によれば、ブラシ保持器を
熱伝導性部材から構成されたエンドフレームと一体に形
成するか、もしくはエンドフレームに直接取付けること
により、ブラシからブラシ保持器に伝わった熱をエンド
フレームに逃がすことができるため、放熱性が向上して
ブラシの温度上昇をより低減できる。

【００１５】請求項７の発明によれば、本発明の回転電
機をスタータに適用することができる。スタータに使用
される電動機では、短時間に大電流が流れるため、請求
項１〜６に記載した何れかの構成を採用することでブラ
シの温度上昇を低減できる効果は大きいと言える。

【００１６】

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の回転電機をスター
タの直流モータとして使用した実施例を説明する。（第１実施例）スタータ１は、図３に示すように、通電
を受けて回転力を発生するモータ２、このモータ２の回
転速度を減速する減速機３、この減速機３を介してモー
タ２の回転力が伝達される出力軸４、この出力軸４の外
周に嵌合するピニオンギヤ５、出力軸４の回転をピニオ
ンギヤ５に伝達する一方向クラッチ６、ピニオンギヤ５
の押出力を発生すると共に、モータ回路（図示しない）
の開閉を行なうマグネットスイッチ７、このマグネット
スイッチ７のピニオン押出力を一方向クラッチ６に伝達
するレバー８等より構成されている。

【００１８】モータ２（本発明の回転電機）は、ヨーク
９、固定磁極１０、電機子１１、ブラシ１２等より成
る。ヨーク９は、円筒状に設けられて、モータ２と減速
機３との間を区画するプレート１３と共にフロントハウ
ジング１４とエンドフレーム１５とに挟持されている。
固定磁極１０は、例えば複数の永久磁石から成り、ヨー
ク９の内周面に固定されて磁界を形成する。

【００１９】電機子１１は、シャフト１６（本発明の回
転軸）の一端が出力軸４の後端に形成された凹所に軸受
（図示しない）を介して支持され、シャフト１６の他端
が軸受１７を介してエンドフレーム１５に支持されてい
る。また、電機子１１の他端側には、互いに絶縁された
複数のセグメント１８をシャフト１６と略直角を成す平
面上で円形に並べて摺接面１９ａを形成した整流子１９
が設けられている（図１および図２参照）。各セグメン
ト１８は、それぞれ電機子コイル２０（図１参照）に接
続されて、その平面形状が円形を周方向に等分して得ら
れる略台形形状に設けられている。

【００２０】ブラシ１２は、一対の正極ブラシ１２Ａと
一対の負極ブラシ１２Ｂとから成り、それぞれスプリン
グ２１と共にブラシホルダ２２、２３に保持されてい
る。スプリング２１は、ブラシ１２の後端側に配され
て、ブラシ１２の先端面１２ａが整流子１９の摺接面１
９ａ（各セグメント１８の表面）に適当な荷重で摺接で
きるようにブラシ１２の後端面１２ｂを付勢している。
なお、正極ブラシ１２Ａと負極ブラシ１２Ｂは、図２に
示すように、整流子１９の摺接面１９ａ上において周方
向に９０度間隔で交互に配置されている。

【００２１】このブラシ１２は、軸方向から見た外周形
状（平面形状）が、整流子１９のセグメント形状に適応
した形状に設けられている。具体的には、図２に示すよ
うに、外径側から内径側へ向かって幅が狭くなる略台形
形状を成す。また、スプリング２１が当接するブラシ１
２の後端面１２ｂは、内径側から外径側へ向けて整流子
１９側へ傾斜して設けられている（図１参照）。

【００２２】ブラシホルダ２２、２３は、それぞれブラ
シ１２を収容する内周形状がブラシ１２の外周形状に相
応した略台形形状に設けられている。但し、ブラシホル
ダ２２、２３の内径側の幅ａ1 （内周面の幅）は、ブラ
シ１２の内径側の幅ｂ1 より若干小さく、ブラシホルダ
２２、２３の外径側の幅ａ2 （内周面の幅）は、ブラシ
１２の外径側の幅ｂ2 より若干大きくなるように形成さ
れている（図４（ａ）参照）。即ち、ブラシホルダ２
２、２３の内周形状は、ブラシ１２の両側面１２ｃをそ
れぞれ内径側と外径側に若干延長して得られる台形形状
を成す。なお、図４は正極ブラシ１２Ａとブラシホルダ
２２との関係を示すが、負極ブラシ１２Ｂとブラシホル
ダ２３との関係も同じである。但し、正極ブラシ１２Ａ
を保持するブラシホルダ２２は、絶縁体により構成され
てエンドフレーム１５に固定され、負極ブラシ１２Ｂを
保持するブラシホルダ２３は、金属製（例えばアルミニ
ウム）のエンドフレーム１５と一体的に設けられてい
る。

【００２３】次に、本実施例の作用を図４に基づいて説
明する。スプリング２１により付勢されるブラシ１２に
は、その後端面１２ｂが傾斜していることから、付勢力
の垂直分力と水平分力が作用する。即ち、スプリング２
１の付勢力をＰ、およびブラシ１２の後端面１２ｂと整
流子１９の摺接面１９ａとの成す角度をθとすると、図
４（ｂ）に示すように、垂直分力Ｐ1 ＝Ｐ・ｃｏｓθ
が、ブラシ１２の先端面１２ａを整流子１９の摺接面１
９ａに押圧する方向（軸方向）に作用し、水平分力Ｐ2
＝Ｐ・ｓｉｎθが、外径側から内径側へブラシ１２を押
圧する方向（摺接面１９ａに沿った方向）に作用する。

【００２４】また、ブラシ１２の軸方向から見た外周形
状は、外径側から内径側へ向かって幅が狭くなる略台形
形状に設けられて、且つブラシホルダ２２、２３の内周
形状もブラシ１２の外周形状に相応した略台形形状であ
る。従って、ブラシ１２は、図４（ａ）に示すように、
スプリング付勢力の水平分力Ｐ2 によってブラシホルダ
２２、２３の内径側（図４（ａ）の下側）へ押し込まれ
る。

【００２５】ここで、ブラシホルダ２２、２３の内周形
状は、内径側の幅ａ1 が、ブラシ１２の内径側の幅ｂ1
より若干小さく形成されていることから、ブラシホルダ
２２、２３の内径側へ押し込まれたブラシ１２は、その
内径側壁面がブラシホルダ２２、２３の内径側内壁面に
当接することはなく、両者の間に若干の隙間Ｓが形成さ
れる。即ち、ブラシ１２は、ブラシホルダ２２、２３に
対して内径側へくさび状に入り込み、その周方向の両側
面１２ｃがブラシホルダ２２、２３の内周側面に密接し
た状態でブラシホルダ２２、２３に保持されることにな
る。

【００２６】（本実施例の効果）上記の様にブラシ１２
の両側面１２ｃがブラシホルダ２２、２３の内周側面に
密接した状態で保持されることにより、ブラシ１２とブ
ラシホルダ２２、２３との接触面積を増加させることが
できる。ブラシ１２からブラシホルダ２２、２３へ伝わ
る熱の伝導量は、下記の数式で示すように、両者の接触
面積が増加する程大きくなるため、ブラシ１２の熱はブ
ラシホルダ２２、２３へより多く伝導されることによ
り、ブラシ１２の温度上昇を効果的に低減することがで
きる。なお、ブラシホルダ２２、２３に伝導した熱は、
更にエンドフレーム１５へ伝わり、エンドフレーム１５
から外気へ放出される。

【００２７】

【数１】Ｑ＝Ｒ・Ｓ但し、Ｑ：ブラシ１２からブラシホルダ２２、２３への
熱伝導量Ｒ：熱伝導率Ｓ：ブラシ１２とブラシホルダ２２、２３との接触面積

【００２８】また、ブラシ１２は、両側面１２ｃがブラ
シホルダ２２、２３の内周側面に密接して保持されて、
その密接する力を付与する水平分力Ｐ2 が整流子１９の
回転方向と交差する方向であるため、整流子１９の摺接
面１９ａとブラシ１２の先端面１２ａとの摩擦係数が変
動した場合でも、ブラシ１２の摺動方向へのがたつきが
殆ど生じることがない。これにより、ブラシ１２の摺動
性が向上して、ブラシ１２の摩耗を低減できる効果が得
られる。更に、スタータ１はエンジンに直接取り付けら
れるため、振動の高いエンジンにおいては、ブラシ１２
のがたつきを防止できる効果は大きい。即ち、ブラシ１
２にがたつきが生じると、ブラシ１２の角部に欠け等の
損傷を受けることがあるが、上記のようにブラシ１２の
がたつきを防止できることにより欠け等の損傷を防止で
きる。

【００２９】なお、正極ブラシ１２Ａを保持するブラシ
ホルダ２２は絶縁体で構成する必要があるが、電気絶縁
性を有する高熱伝導部材（例えば、グラファイトやアル
ミナ等を配合した樹脂、高熱伝導率セラミック等）によ
り構成することで、更に正極ブラシ１２Ａの温度上昇を
低減できる効果が向上する。一方、負極ブラシ１２Ｂを
保持するブラシホルダ２３は、熱伝導性に優れた金属製
エンドフレーム１５と一体的に設けることにより、ブラ
シ１２の温度上昇低減効果が大きいことは言うまでもな
い。

【００３０】（第２実施例）図５（ａ）は正極ブラシ１
２Ａとブラシホルダ２２の外周形状を示す断面図であ
り、図５（ｂ）は正極ブラシ１２Ａの側面から見た断面
図である。本実施例では、図５（ａ）に示すように、ブ
ラシホルダ２２の内部で正極ブラシ１２Ａの両側面１２
ｃに電気絶縁性を有する高熱伝導部材２４（例えば、グ
ラファイトやアルミナ等を配合した樹脂、高熱伝導率セ
ラミック等）を配置し、その高熱伝導部材の一端面２４
ａを、図５（ｂ）に示すように、エンドフレーム１５の
内面に当接する様に構成している。従って、ブラシ１２
の熱は高熱伝導部材２４を介してエンドフレーム１５に
伝導し、エンドフレーム１５から外気へ放出される。こ
れにより、正極ブラシ１２Ａを保持するブラシホルダ２
２を通常の安価なフェノール系の成形材料で構成するこ
とができるため、ブラシホルダ２２の材料費低減を図る
ことができる。また、電気絶縁性を有する高熱伝導部材
２４は、その形状が簡単（本実施例では直方体）である
ため、比較的低コストに抑えることができる。

【００３１】（第３実施例）図６はブラシ周辺の側面断
面図である。本実施例は、ブラシ１２（１２Ａ、１２
Ｂ）の後端面１２ｂを傾斜させることなく、整流子１９
の摺接面１９ａに当接する先端面１２ａと略平行を成す
様に設けられている。一方、ブラシ１２を付勢するスプ
リング２１は、図６に示すように、ブラシ後端面１２ｂ
に対して傾斜した状態でブラシホルダ２２、２３に保持
されている。具体的には、ブラシホルダ２２、２３に当
接する他端側（図６の右端側）からブラシ後端面１２ｂ
に当接する一端側へ向かって径方向の内側へ傾斜してい
る。言い換えれば、ブラシ１２の後端面１２ｂに対して
外径側から内径側へブラシ１２を押圧する分力が発生す
る方向に傾斜している。なお、ブラシ１２の軸方向から
見た外周形状は、外径側から内径側へ向かって幅が狭く
なる略台形形状に設けられて、且つブラシホルダ２２、
２３の内周形状もブラシ１２の外周形状に相応した略台
形形状であることは第１実施例と同じである（図２参
照）。

【００３２】これにより、ブラシ１２は、上記の分力に
よってブラシホルダ２２、２３の内径側へ押し込まれる
ため、第１実施例と同様に、周方向の両側面がブラシホ
ルダ２２、２３の内周側面に密接した状態でブラシホル
ダ２２、２３に保持される（図４（ａ）参照）。その結
果、ブラシ１２とブラシホルダ２２、２３との接触面積
が増加するため、ブラシ１２に発生した熱がブラシホル
ダ２２、２３へより多く伝導されて、ブラシ１２の温度
上昇を効果的に低減することができる。また、ブラシホ
ルダ２２、２３に伝わった熱は、更に金属製のエンドフ
レーム１５へ伝わり、エンドフレーム１５から外気へ放
出される。

【図面の簡単な説明】

【図１】スタータのブラシ周辺の側面断面図（図２のＡ
−Ｏ−Ａ断面図）である。

【図２】軸方向から見たスタータの要部断面図である。

【図３】スタータの全体断面図である。

【図４】ブラシとブラシホルダの外周形状を示す断面図
（ａ）、ブラシの側面から見た断面図（ｂ）である。

【図５】ブラシとブラシホルダの外周形状を示す断面図
（ａ）、ブラシの側面から見た断面図（ｂ）である（第
２実施例）。

【図６】スタータのブラシ周辺の側面断面図（第３実施
例）である。

【符号の説明】

１スタータ２モータ（回転電機）３減速機（減速手段）４出力軸５ピニオンギヤ９ヨーク１０固定磁極１１電機子１２ブラシ１２ｂ後端面１２ｃ周方向の両側面１２Ａ正極ブラシ１５エンドフレーム（熱伝導性に優れた部材）１６シャフト（回転軸）１９整流子１９ａ摺接面２１スプリング２２ブラシホルダ（ブラシ保持器）２３ブラシホルダ（ブラシ保持器）２４電気絶縁性を有する高熱伝導部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転軸を有する電機子コアと、摺接面が前記回転軸と略直角を成すように設けられた整
流子と、前記摺接面に摺接する先端面を有すると共に、軸方向か
ら見た外周形状が外径側から内径側へ向かって幅が狭く
なる略台形形状であるブラシと、このブラシの後端面から前記整流子側に軸方向に付勢す
る付勢手段と、前記ブラシを収容する内周形状が前記ブラシの外周形状
に相応した略台形形状に設けられていると共に、熱伝導
性を有するブラシ保持器とを、備えた回転電機において、前記ブラシの後端面が内径側から外径側へ向けて前記摺
接面側へ傾斜して設けられていることで、前記付勢手段
によって前記ブラシを前記ブラシ保持器の内周面に押圧
して、前記ブラシに発生する熱を前記ブラシ保持器に逃
がすことを特徴とする回転電機。
【請求項２】請求項１に記載した回転電機において、前記ブラシは、周方向の両側面が前記ブラシ保持器の内
周側面に密接した状態で前記ブラシ保持器に保持されて
いることを特徴とする回転電機。
【請求項３】回転軸を有する電機子コアと、摺接面が前記回転軸と略直角を成すように設けられた整
流子と、前記摺接面に摺接する先端面を有すると共に、前記摺接
面に垂直な方向から見た外周形状が前記電機子コアの外
径側から内径側へ向かって幅が狭くなる略台形形状であ
り、且つ径方向の幅が周方向の幅より大きく設けられて
いるブラシと、このブラシの後端面から前記整流子側に軸方向に付勢す
る付勢手段と、前記ブラシを収容する内周形状が前記ブラシの外周形状
に相応した略台形形状に設けられていると共に、熱伝導
性を有するブラシ保持器とを、備えた回転電機において、前記ブラシは、周方向の両側面が前記ブラシ保持器の内
周側面に密接した状態で前記ブラシ保持器に保持されて
いることを特徴とする回転電機。
【請求項４】請求項１〜３に記載した何れかの回転電機
において、正極側の前記ブラシを保持する前記ブラシ保持器は、電
気絶縁性を有する高熱伝導部材により構成されているこ
とを特徴とする回転電機。
【請求項５】請求項１〜３に記載した何れかの回転電機
において、正極側の前記ブラシは、周方向の両側面が電気絶縁性を
有する高熱伝導部材を介して前記ブラシ保持器に保持さ
れ、前記高熱伝導部材は、熱伝導性に優れた部材に接触して
いることを特徴とする回転電機。
【請求項６】請求項１〜５に記載した何れかの回転電機
において、熱伝導性部材により構成されて、前記回転軸の後端部を
軸支するエンドフレームを有し、このエンドフレームに前記ブラシ保持器が一体に形成さ
れ、もしくは直接取り付けられていることを特徴とする
回転電機。
【請求項７】請求項１〜６に記載した何れかの回転電機
は、車両エンジンを始動するためのスタータに適用され
ることを特徴とする回転電機。