特開 2024-3444 接点構造及びブラシモータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024003444

(43)【公開日】2024-01-15

(54)【発明の名称】接点構造及びブラシモータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 13/00 20060101AFI20240105BHJP

【ＦＩ】

H02K13/00 G

H02K13/00 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022102584

(22)【出願日】2022-06-27

(71)【出願人】

【識別番号】000113791

【氏名又は名称】マブチモーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100092978

【弁理士】

【氏名又は名称】真田 有

(72)【発明者】

【氏名】橋本 康弘

【テーマコード（参考）】

5H613

【Ｆターム（参考）】

5H613AA03

5H613BB04

5H613GA03

5H613GB08

5H613GB12

5H613GB13

(57)【要約】

【課題】接点構造及びブラシモータに関し、整流子及びブラシの耐摩耗性及びスリットの絶縁性を向上させる。
【解決手段】開示の接点構造１０は、リン青銅で形成されて少なくとも錫を質量百分率で１．０％以上かつ９．０％以下の範囲で含有する整流子６と、銅カーボンで形成されて整流子６に接触するように設けられるブラシ９とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リン青銅で形成されて少なくとも錫を質量百分率で１．０％以上かつ９．０％以下の範囲で含有する整流子と、
銅カーボンで形成されて前記整流子に接触するように設けられるブラシと、を備える
ことを特徴とする、接点構造。

【請求項2】

前記ブラシが銅を質量百分率で２０％以上かつ７０％以下の範囲で含有する
ことを特徴とする、請求項１記載の接点構造。

【請求項3】

請求項１または２記載の接点構造を介して通電されるロータと、
前記ロータに作用する磁界を生成するステータと、を備える
ことを特徴とする、ブラシモータ。

【請求項4】

前記ブラシモータは、当該ブラシモータへの入力電圧が直流３６Ｖ以上の電源を備えた自動車用の車載電装品を駆動するものであって、
前記ロータが、前記電源の電圧を印加されて動作する
ことを特徴とする、請求項３記載のブラシモータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接点構造及びこれを備えたブラシモータに関する。

【背景技術】

【0002】

従来の自動車に搭載される車載電装品は、車載バッテリーから供給される１２Ｖまたは２４Ｖの電圧で動作するように設計されているものが多い。一方、近年の電気自動車やハイブリッド自動車等においては、より高電圧の給電システムが適用される事例がある。例えば、欧米の自動車メーカーで開発されているマイルドハイブリッド車両において、４８Ｖ車載バッテリーを用いて車載電装品等を駆動する給電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような実情を受け、整流子及びブラシを内蔵するブラシモータ（整流子モータ）等の小型電装品においても、従来より高電圧で動作しうる性能が求められつつある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許出願公開第2022/0024444号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ブラシモータを高電圧で作動させた場合、整流子及びブラシの接点の火花が激しくなり、急速に摩耗が進行してしまうおそれがある。また、整流子を構成する複数の整流子片の間には、絶縁性を確保するためのスリットが設けられている。このスリットの内部や近傍に摩耗粉が堆積すると、スリットの絶縁性が低下してフラッシュオーバー（正極ブラシと負極ブラシとの間の短絡）が発生し、隣接する整流子片間の溶着によるモータの異常停止に陥る可能性がある。

【0005】

これらの課題を踏まえて、ブラシモータを従来より高電圧で動作させるためには、整流子及びブラシの耐摩耗性やスリットの絶縁性を向上させておくことが望まれる。なお、この課題はマイルドハイブリッド車両に搭載される車載電装品のみにおいて解決すべき課題であるとはいえない。すなわち、車載電装品以外の一般的な電動機器においても、その電動機器をより高電圧で動作させたい場合には同様の課題が生じる。

【0006】

本件の目的の一つは、上記のような課題に照らして創案されたものであり、整流子及びブラシの耐摩耗性及びスリットの絶縁性を向上させた接点構造及びブラシモータを提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

【課題を解決するための手段】

【0007】

開示の接点構造は、リン青銅で形成されて少なくとも錫を質量百分率で１．０％以上かつ９．０％以下の範囲で含有する整流子と、銅カーボンで形成されて前記整流子に接触するように設けられるブラシとを備える。なお、前記ブラシが銅を質量百分率で２０％以上かつ７０％以下の範囲で含有することが好ましい。
また、開示のブラシモータは、上記の接点構造を介して通電されるロータと、前記ロータに作用する磁界を生成するステータとを備える。前記ブラシモータは、当該ブラシモータへの入力電圧が直流３６Ｖ以上の電源を備えた自動車用の車載電装品を駆動するものであって、前記ロータが、前記電源の電圧を印加されて動作することが好ましい。

【発明の効果】

【0008】

開示の技術によれば、リン青銅で形成された整流子と銅カーボンで形成されたブラシとの組み合わせにより、整流子及びブラシの耐久性を改善できる。また、整流子に、少なくとも錫を１．０％以上かつ９．０％以下の範囲で含有させることで、摩耗粉の導電率を低下させることができ、スリットの絶縁低下を抑制できる。したがって、整流子及びブラシの耐摩耗性及びスリットの絶縁性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例の接点構造及びブラシモータを説明するための分解斜視図である。

【図2】耐久性試験の内容を説明するための図である。

【図3】（Ａ），（Ｂ）は試験結果を説明するためのグラフである。

【図4】（Ａ），（Ｂ）は試験結果を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

開示の接点構造及びブラシモータは、以下の実施例によって実施されうる。接点構造とは、複数の部品を接触させることで電流を流す部位の構造を意味し、あるいは、そのような電流の流れを断接する（電流の流路を開閉する）部位の構造を意味する。開示の接点構造は、少なくとも整流子とブラシとを備える。また、ブラシモータとは、接点構造を介して通電されるロータと、ロータに作用する磁界を生成するステータとを備えたモータを意味する。開示のブラシモータは、整流子モータやブラシ付きモータとも呼ばれる。なお、本実施形態で言及される各種成分の百分率（パーセント，％）は、質量についての百分率（質量百分率）を意味する。

【実施例0011】

［１．構成］
図１は、実施例としての接点構造１０及び接点構造１０が適用されたブラシモータ１の主要部品を分解して示す斜視図である。ブラシモータ１は、例えば直流３６Ｖ以上の電源を搭載した自動車用の車載電装品（例えば、ドアロック装置，ミラー駆動装置，ミラーユニット格納装置，パワーウィンドウ装置，シートベルトプリテンショナー装置，電動パーキングブレーキ装置等）を駆動する小型モータとして適用される。ブラシモータ１の電力源は、例えば蓄電池（直流電源）である。

【0012】

自動車用の車載電装品の駆動用のブラシモータ１の駆動時間は、１０秒未満のものが多い。なお、一般的なドアロック装置を駆動するために使用されるブラシモータ１の１動作あたりの駆動時間は、１秒未満であり、ミラーユニット格納装置やパワーウィンドウ装置においては１０秒未満である。このようなブラシモータ１では、例えばドアロック装置を駆動するために消費される電気エネルギーのうちの多くが、回転動作の開始時（始動時）に消費される。すなわち、上記のブラシモータ１では、始動時に大電流が入力されやすい。本実施例の接点構造１０は、このようなブラシモータ１（言い換えれば、駆動時間が比較的短く、始動時に大電流が入力されうるブラシモータ１）に適用することで、顕著な効果を発揮する。

【0013】

ブラシモータ１は、ステータ３（固定子）と、その内側に配置されるロータ４（回転子）と、ロータ４の回転中心となるシャフト１２とを備える。ロータ４は、実施例としての接点構造１０を介して通電される回転子であり、例えば自動車に搭載された電源の電圧（３６Ｖや４８Ｖ等）を印加されて動作するものである。ステータ３及びロータ４は、例えば有底円筒状に形成されたハウジング２の内部に収容される。図１では、ハウジング２の開放端部（図１中では左端部）を閉塞する蓋部材（エンドベル）の記載を省略している。ブラシモータ１のサイズは、例えばハウジング２（ケース）の外径がφ４０ｍｍ以下であり、出力が１５０Ｗ以下である。好ましくは、ハウジング２の外径がφ２５ｍｍ以下であり、出力が２５Ｗ以下である。特に、整流子の外径がφ１０mm以下である。これは整流子が比較的小型であり、高い電圧に対して整流子の絶縁を維持しにくいものであるため、本発明の効果が顕著に表れるものである。

【0014】

シャフト１２は、図示しないベアリングを介してハウジング２やその蓋部材に支持される軸状（棒状）の部材である。ステータ３はハウジング２に固定され、ロータ４はシャフト１２に固定されてシャフト１２と一体回転する。シャフト１２の中心線Ｃは、ロータ４の回転中心に一致している。また、シャフト１２の一端はハウジング２の外部に向かって突設される。ステータ３に対するロータ４の回転運動は、シャフト１２を介してハウジング２の外部に出力される。

【0015】

ステータ３は、ロータ４に作用する磁界を生成するものであり、複数のマグネット（永久磁石）を含む。複数のマグネットは、例えばハウジング２の内周面に沿って取り付けられ、互いに周方向（中心線Ｃに垂直な断面において、中心線Ｃを中心とした円の円周方向）に所定の間隔をあけて異なる磁極が配置される。各々のマグネットの形状は、例えば円弧面状や環状、これに類する形状とされる。磁界の向きは、ハウジング２の外部から内部へ向かう方向か、その反対方向（内部から外部へ向かう方向）に設定される。マグネットの個数や形状は、任意に設定可能である。

【0016】

ロータ４には、シャフト１２に対して相対回転不能に固定されるコア５（回転子コア）と整流子６とが設けられる。コア５は、例えば複数の同一形状の鋼板を積層してなる。鋼板の積層方向は、中心線Ｃの延在方向と同一である。コア５には、中心線Ｃに垂直な断面において、中心線Ｃから放射状に突出した形状の複数のティースが設けられる。各々のティースに電線を巻き掛けることで、複数のコイルが形成される。ティースの個数，形状，電線の巻き掛け方法，巻き数については、任意に設定可能である。

【0017】

整流子６（コミテータ）は、ロータ４に設けられる複数のコイルの通電状態に関して、ロータ４の回転角に応じた適切な通電状態を生成するための部材である。整流子６は、曲面状に形成された複数の整流子片７（コミテータ片，コミテータセグメント）を含む。整流子片７の形状は、例えば円弧面状やこれに類する形状に形成される。これらの整流子片７は、シャフト１２の外周面に沿ってその周方向に所定の間隔をあけて配置される。各々の整流子片７と各々のコイルとの間は、給電回路で接続される。また、隣接する整流子片７同士の隙間は、スリット８と呼ばれる。整流子片７の個数，形状，スリット８の幅，形状については、任意に設定可能である。

【0018】

整流子６の周囲には、ブラシ９（刷子）が整流子片７の表面に摺動接触するように設けられる。ブラシ９は、ブラシアーム１１の一端に取り付けられ、整流子片７に対して弾性的に押し付けられた状態でブラシアーム１１に支持される。また、ブラシ９及びブラシアーム１１は、一対設けられる。各々のブラシアーム１１の他端は、例えばハウジング２や蓋部材を貫通してハウジング２の外部まで延設され、各々が電力供給用の端子（＋端子及び－端子）に接続される。各々のブラシ９は、通常、複数の整流子片７のいずれか一つまたは隣り合う二つと接触し、一つの整流子片７に電気極性の異なる複数のブラシ９が接触しないように配置される。

【0019】

［２．組成］
整流子６は、リン青銅（燐青銅）で形成される。ここでいう「リン青銅」とは、少なくともリン（Ｐ）と錫（Ｓｎ，すず）と銅（Ｃｕ）とを含む合金である。好ましくは、リンと錫と銅との合計が全体の９９．５％以上を占めるように、各成分の含有率が設定される。リンの含有率は任意に設定されうるが、例えば０．３５％以下とされ、好ましくは０．２０％以下とされ、より好ましくは０．１５％以下とされ、更に好ましくは０．０８０％以下とされる。なお、０．３５％を超えるリンの含有率を設定してもよい。

【0020】

なお、ここでいう「リン青銅」は、銅を主成分とするものであってもよい。銅を主成分とするリン青銅の定義としては、例えば「銅を９０％以上含有するリン青銅」や「銅を５０％以上含有するリン青銅」や「最も銅の含有率が高いリン青銅」などが挙げられる。また、リン青銅には、リン，錫，銅以外の成分が含有されうる。例えば、鉛（Ｐｂ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ），ニッケル（Ｎｉ）等が含有されうる。

【0021】

本実施例の整流子６は、錫を１．０％（例えば、ＪＩＳ規格Ｃ５０５０相当の錫含有率下限値）以上かつ９．０％（例えば、ＪＩＳ規格Ｃ５２１２相当の錫含有率上限値）以下の範囲で含有する。錫の含有率を上昇させることで、整流子６とブラシ９との物理的な接触によって生じる摩耗粉（整流子粉及びブラシ粉の混合物）の導電率が低下し、スリット８の絶縁低下が抑制される。錫の含有率の下限値は、１．０％以上の範囲で任意に設定されうるが、好ましくは３．５％とされる（例えば、ＪＩＳ規格Ｃ５１１１等）。整流子６においては、錫の含有率を上昇させることで整流子片７の融点が低下する。これにより、切り替わり時の火花によりスリット８付近の整流子片７が消耗し易くなり、摩耗粉が堆積し難くなる。したがって、スリット８の絶縁性が改善される。

【0022】

一方、錫の含有率を上昇させ過ぎると、前述したスリット８付近の整流子片７の消耗が過度に進むため、ブラシ９が整流子６を摺動するときにスリット８付近でブラシ６が跳ねて接触不安定となり、電流の入力が不足し性能が低下する恐れがある。このような実情を考慮すると、錫の含有率についての好ましい上限値は９．０％前後である。言い換えれば、錫の含有率は、好ましくは９．０％以下とされ、より好ましくは４．５％以下とされる（例えば、Ｃ５１１１～Ｃ５２１２等）。

【0023】

ブラシ９は、銅カーボンで形成される。ここでいう「銅カーボン」とは、少なくとも銅（Ｃｕ）とカーボン（Ｃ，炭素）とを含む複合材料であり、例えば粉末状の黒鉛や銅粉とを公知の結合材（バインダー）で固着させたり焼結させたりすることで形成される。ブラシ９においては、銅の含有率を低下させることでブラシ９の固有抵抗が上昇し、摩耗粉の導電率が低下するため、スリット８の絶縁低下がさらに抑制される。一方、銅の含有率を低下させ過ぎると、ブラシ９自体の導電性が低下してしまい、良好な導電性能が得られなくなるおそれがある。発明者の検討結果によれば、銅の含有率についての好ましい範囲は、２０％以上かつ７０％以下の範囲である。なお、銅カーボンには、銅及び炭素以外の成分が含有されうる。例えば、固体潤滑材や研磨材等が含有されうる。

【0024】

［３．耐久性試験］
図２は、接点構造１０及びブラシモータ１の耐久性試験において、ロータ４に印加される電圧のサイクル（周期的な変動）を表す模式図である。図中のＣＷは、ロータ４を時計回り（clockwise）に回転させる電圧（正転電圧）を表し、図中のＣＣＷはロータ４を反時計回り（counter-clockwise）に回転させる電圧（逆転電圧）を表し、図中のＯＦＦは非通電状態（０Ｖ）を表す。この耐久性試験では、図２に示すような電圧をロータ４に繰り返し印加することで、接点構造１０及びブラシモータ１の耐久性が測定される。この耐久性試験において、ブラシモータ１による駆動対象となる装置（例えば、自動車用のドアロック装置等）をシャフト１２に接続することで、ロータ４に所定の負荷を作用させてもよい。

【0025】

図２に示す耐久性試験の１サイクルにおいては、逆転電圧が０．２秒間印加された後、非通電状態が２．３秒間継続され、さらに正転電圧が０．２秒間印加された後、非通電状態が２．３秒間継続される。このようなサイクルでロータ４の駆動が繰り返し実施され、繰り返された回数が計測される。接点構造１０及びブラシモータ１の動作に不具合が生じる（例えば、動かなくなる）までの回数（サイクル数）が、接点構造１０及びブラシモータ１の寿命として評価される。具体的な通電時間や電圧や寿命の目標値については、任意に設定されうる。

【0026】

図３（Ａ）は、リン青銅〔錫２．０％（１．７～２．３％）、古河電気工業製、商品名ＭＦ２０２〕で形成された整流子６とブラシ９との組み合わせによる耐久性試験の結果を示すグラフである。ここでは、ブラシ９に含まれる銅の含有率を変化させて実施された複数の耐久性試験の結果がまとめて示されている。すなわち、図３（Ａ）中の上から順に、銅の含有率が７０％である場合の結果と、銅の含有率が５０％である場合の結果と、銅の含有率が２０％である場合の結果と、ブラシ９が銅を含まない場合の結果とが示されている。

【0027】

図３（Ａ）によれば、リン青銅〔錫２．０％（１．７～２．３％）〕で形成された整流子６と銅カーボンで形成されたブラシ９との組み合わせが、寿命の延長に奏功しうることがわかる。また、ブラシ９に含まれる銅の含有率としては２０～７０％の範囲が好適であり、銅の含有率が低下するにつれて寿命が延長されることがわかる。特に、ブラシ９に含まれる銅の含有率が２０～５０％の範囲内であれば、寿命がより確実に延長されることがわかる。

【0028】

図３（Ｂ）は、リン青銅〔錫４．０％（３．５～４．５％）〕で形成された整流子６とブラシ９との組み合わせによる耐久性試験の結果を示すグラフである。ここでは、図３（Ｂ）中の上から順に、銅の含有率が７０％である場合の結果と、銅の含有率が５０％である場合の結果と、銅の含有率が２０％である場合の結果とが示されている。

【0029】

図３（Ｂ）においても、リン青銅〔錫４．０％（３．５～４．５％）〕で形成された整流子６と銅カーボンで形成されたブラシ９との組み合わせが、寿命の延長に奏功しうることがわかる。また、ブラシ９に含まれる銅の含有率としては２０～７０％の範囲が好適であり、銅の含有率が低下するにつれて寿命が延長されることがわかる。特に、ブラシ９に含まれる銅の含有率が２０～５０％の範囲内であれば、寿命の延長効果が高いことがわかる。

【0030】

図４（Ａ）は、整流子６と銅の含有率が２０％であるブラシ９との組み合わせによる耐久性試験の結果を示すグラフである。ここでは、整流子６に含まれる錫の含有率を変化させて実施された複数の耐久性試験の結果がまとめて示されている。すなわち、図４（Ａ）の上から順に、錫の含有率が８．０％（７．０～９．０％）である場合の結果と、錫の含有率が４．０％（３．５～４．５％）である場合の結果と、錫の含有率が１．３５％（１．０～１．７％）である場合の結果とが示されている。図４（Ａ）によれば、銅の含有率が２０％であるブラシ９を使用した場合には、錫の含有率がおよそ１．０～９．０％（好ましくは３．５～４．５％）の範囲内にある整流子６を使用するのがよいことがわかる。

【0031】

図４（Ｂ）は、整流子６と銅の含有率が５０％であるブラシ９との組み合わせによる耐久性試験の結果を示すグラフである。ブラシ９における銅の含有率以外の条件は、図４（Ｂ）の上から３つは図４（Ａ）に示すものと同一である。図４（Ｂ）の一番下のグラフは、錫の含有率が０．１５％である場合（錫をほとんど添加していない材料を用いた場合）の結果を示す。図４（Ｂ）によれば、銅の含有率が５０％であるブラシ９を使用した場合にも、錫の含有率がおよそ１．０～９．０％（好ましくは３．５～４．５％）の範囲内にある整流子６を使用するのがよいことがわかる。また、錫をほとんど添加していない材料を用いた整流子６を使用した場合には、寿命が著しく短縮されることがわかる。

【0032】

［４．効果］
（１）本実施例に係る接点構造１０は、整流子６とブラシ９とを備える。整流子６は、リン青銅で形成され、少なくとも錫を質量百分率で１．０％以上かつ９．０％以下の範囲で含有する。ブラシ９は、銅カーボンで形成される。リン青銅で形成された整流子６と銅カーボンで形成されたブラシ９との組み合わせにより、整流子６及びブラシ９の耐久性を改善できる。特に、整流子６に錫を１．０％以上含有させることで、摩耗粉の導電率を低下させることができ、スリット８の絶縁低下を抑制できる。したがって、整流子６及びブラシ９の耐摩耗性及びスリット８の絶縁性を向上させることが可能となる。

【0033】

（２）また、上記のブラシ９は、銅を質量百分率で２０～７０％含有しうる。このような構成により、ブラシ９の導電性をある程度確保しつつ、摩耗粉の導電率を低下させることができ、スリット８の絶縁低下をさらに抑制できる。したがって、整流子６及びブラシ９の耐摩耗性及びスリット８の絶縁性を向上させることができる。

【0034】

（３）本実施例に係るブラシモータ１は、上記の接点構造１０を介して通電されるロータ４と、ロータ４に作用する磁界を生成するステータ３とを備える。このような構成により、ブラシモータ１に含まれる接点構造１０の寿命を延長させることができ、延いてはブラシモータ１の寿命や耐久性を向上させることができる。

【0035】

（４）また、上記のブラシモータ１は、例えばモータ１への入力電圧が直流３６Ｖ以上の電源を備えた自動車用の車載電装品のブラシモータ１として適用され、ロータ４が当該電源の電圧を印加されて動作しうる。このように、従来より高電圧で動作しうる性能が求められる自動車用のブラシモータ１において、接点構造１０の寿命を延長させることができ、延いてはブラシモータ１の寿命や耐久性を向上させることができる。なお、４８Ｖ以上の電圧が印加されうるブラシモータ１においては、高電圧による著しくモータ寿命が短縮されるおそれがある。このような課題に対し、上記のブラシモータ１は、改善効果（モータ寿命の延長効果）が顕著である。

【0036】

［５．その他］
上記の実施例はあくまでも例示に過ぎず、本実施例で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施例の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。また、本実施例の各構成は必要に応じて取捨選択でき、あるいは、公知技術に含まれる各種構成と適宜組み合わせることができる。

【0037】

例えば、ブラシ９に含まれる銅の含有率を２０％未満や５０％を超える割合に設定してもよい。少なくとも、リン青銅で形成された整流子６と銅カーボンで形成されたブラシ９との組み合わせにおいて、整流子６に含まれる錫の含有率を１．０％以上かつ９．０％以下の範囲に設定することで、上述の実施例と同様の作用，効果を獲得できる。

【産業上の利用可能性】

【0038】

本件は、整流子及びブラシを備えた接点構造を含む電気部品や電装品の製造産業に利用可能である。また、本件は、上記の接点構造を含むブラシモータの製造産業に利用可能である。

【符号の説明】

【0039】

１ ブラシモータ
２ ハウジング
３ ステータ
４ ロータ
５ コア
６ 整流子
７ 整流子片
８ スリット
９ ブラシ
１０ 接点構造
１１ ブラシアーム
１２ シャフト
Ｃ 中心線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】