JP2014195395A - DC motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、DCモータに関する。 The present invention relates to a DC motor.
従来、様々な装置や製品の駆動源としてDCモータが用いられている。例えば、プリンタや複写機等の事務機器、電動シェーバー用途等の様々な家電製品、自動車の各種電装部品の用途(ステアリングロック等)で採用されている。 Conventionally, DC motors have been used as drive sources for various devices and products. For example, it is employed in office appliances such as printers and copiers, various home appliances such as electric shavers, and various electric parts for automobiles (such as steering lock).
DCモータのうちブラシを備えたものは、回転する整流子にブラシを摺動接触させてロータの巻線に電流を流しつつその方向を切り替えている。このようなモータでは、回転時の整流子の断続によって誘導される高電圧によって火花が発生し、ブラシ・整流子の消耗やノイズ発生の原因となる。そのため、これらの現象を抑制するためにバリスタを備えたDCモータが知られている。 A DC motor having a brush is slidably contacted with a rotating commutator to switch the direction of the rotor while passing a current through a winding of the rotor. In such a motor, sparks are generated by a high voltage induced by the intermittent connection of the commutator during rotation, which causes wear of the brush / commutator and generation of noise. Therefore, a DC motor equipped with a varistor is known to suppress these phenomena.
DCモータに使用されるバリスタは、一般的に、バリスタに10mAの電流が流れる電圧(以下、適宜「E10値」と称する。)を基準に選定される。例えば、駆動電圧が12Vのモータの場合、E10値が13〜16.5Vのバリスタが使用されている。 A varistor used for a DC motor is generally selected on the basis of a voltage at which a current of 10 mA flows through the varistor (hereinafter referred to as “E 10 value” as appropriate). For example, when the driving voltage is the motor of 12V, E 10 value is varistor 13~16.5V are used.
このようなバリスタを用いたモータとして、板バネブラシと整流子とセラミックバリスタとを備え、セラミックバリスタのE10値がモータの駆動電圧の1.5倍以上3倍以下であるとされる小型DCモータがある(特許文献1参照)。 As a motor using such a varistor, and a commutator and ceramic varistor a plate Baneburashi, small DC motors E 10 value of ceramic varistors is to be equal to or less than 3 times 1.5 times the driving voltage of the motor (See Patent Document 1).
ところで、本発明者らが鋭意検討したところ、E10値が所望の範囲に含まれる同種のバリスタを用いたDCモータにおいて、モータの使用用途によっては、モータの寿命に大きなばらつきが生じていることを見いだした。そのため、従来のE10値のみを用いた選定では所望のバリスタを適切に選別することが困難な場合がある。 Incidentally, the present inventors have studied intensively, in the DC motor using a varistor of the same kind of E 10 value is included in the desired range, the purpose of use of the motor, a large variation occurs in the life of the motor I found. Therefore, the selection using only conventional E 10 value it may be difficult to appropriately selecting the desired varistor.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、適切なバリスタを用いて所望のモータ寿命を満たすDCモータを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a DC motor that satisfies a desired motor life using an appropriate varistor.
上記課題を解決するために、本発明のある態様のDCモータは、ブラシと整流子との間の火花の発生を抑制するバリスタを備えている。バリスタは、E10値が13〜18.4Vであり、隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.5nF×N(前記DCモータが備えるコミテータ片の数をn1、バリスタの電極数をn2とした場合、N=(n1/n2))以上である。ここで、測定するバリスタの電極は、任意の隣り合う電極間でよい。 In order to solve the above problems, a DC motor according to an aspect of the present invention includes a varistor that suppresses the generation of a spark between a brush and a commutator. Varistor is E 10 value is 13~18.4V, n 1 the number of commutator pieces capacitance at 1MHz measurement between adjacent electrodes is provided in the 7.5nF × N (the DC motor, varistor electrodes When the number is n 2 , N = (n 1 / n 2 )) or more. Here, the electrodes of the varistor to be measured may be between any adjacent electrodes.
この態様によると、ブラシと整流子との間の火花摩耗が低減され、モータの寿命が向上する。 According to this aspect, spark wear between the brush and the commutator is reduced, and the life of the motor is improved.
DCモータは、正転動作及び逆転動作での使用を想定して構成されていてもよい。ここで、「正転動作及び逆転動作での使用」とは、単に両方向に回転できるという動作だけでなく、用途に応じた構成がなされている場合を含む。例えば、ブラシや整流子片のスリットの位置が、積極的に進角や遅角となる位置に設定されていない(いわゆる中性位置)場合である。 The DC motor may be configured assuming use in forward rotation operation and reverse rotation operation. Here, “use in forward rotation operation and reverse rotation operation” includes not only the operation of being able to rotate in both directions but also the case where a configuration according to the application is made. For example, this is a case where the position of the slit of the brush or commutator piece is not set to a position where it is positively advanced or retarded (so-called neutral position).
本発明の別の態様もまた、DCモータである。このDCモータは、ブラシと整流子との間の火花の発生を抑制するバリスタを備えている。バリスタは、隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.5nF×N(前記DCモータが備えるコミテータ片の数をn1、バリスタの電極数をn2とした場合、N=(n1/n2))以上である。DCモータは、正転動作及び逆転動作での使用を想定して構成されている。ここで、測定するバリスタの電極は、任意の隣り合う電極間でよい。 Another aspect of the present invention is also a DC motor. This DC motor includes a varistor that suppresses the generation of sparks between the brush and the commutator. The varistor has a capacitance of 7.5 nF × N when measuring 1 MHz between adjacent electrodes (N = (n when the number of commutator pieces provided in the DC motor is n 1 and the number of electrodes of the varistor is n 2). 1 / n 2 )) or more. The DC motor is configured assuming use in forward rotation and reverse rotation. Here, the electrodes of the varistor to be measured may be between any adjacent electrodes.
この態様によると、ブラシと整流子との間の火花摩耗が低減され、モータの寿命が向上する。 According to this aspect, spark wear between the brush and the commutator is reduced, and the life of the motor is improved.
停動電流Isが2A以上となるように構成されていてもよい。このように高入力が想定される用途では、火花摩耗低減の効果がより高まる。 The stationary current Is may be configured to be 2 A or more. In applications where high input is assumed in this way, the effect of reducing spark wear is further increased.
ブラシは、金属ブラシであってもよい。整流子は、ブラシとの摺動部が銀含有金属で構成されていてもよい。バリスタは、ディスク状のセラミックバリスタであってもよい。 The brush may be a metal brush. As for the commutator, the sliding part with a brush may be comprised with the silver containing metal. The varistor may be a disk-shaped ceramic varistor.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between a method, an apparatus, a system, etc. are also effective as an aspect of the present invention.
本発明によれば、モータの使用用途によらずに適切なバリスタを選定することができる。これにより、ブラシと整流子との間の火花摩耗が低減され、モータの寿命を向上させることができる。 According to the present invention, an appropriate varistor can be selected regardless of the intended use of the motor. Thereby, the spark wear between the brush and the commutator is reduced, and the life of the motor can be improved.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、以下に述べる構成は例示であり、本発明の範囲を何ら限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. Moreover, the structure described below is an illustration and does not limit the scope of the present invention at all.
(DCモータ)
図1は、本実施の形態に係るDCモータの一部破断面図である。図2は、ブラシとコミテータとの摺動部近傍を拡大した模式図である。図1に示すDCモータ10は、2極3溝モータであり、筒状のハウジング12の内壁にマグネット14が1個または複数個配置されている。マグネット14は、内側に磁極(N極及びS極)が位置するように配置されており、ハウジング12の内壁の周方向に沿ってN極とS極が交互に並んでいる。
(DC motor)
FIG. 1 is a partially broken sectional view of a DC motor according to the present embodiment. FIG. 2 is an enlarged schematic view of the vicinity of the sliding portion between the brush and the commutator. A
ハウジング12の中央部にはロータ16が配置されている。ロータ16は、シャフト18、コア20と、巻線22と、コミテータ(整流子)24と、バリスタ26とを備える。シャフト18は、軸受28a,28bを介して、ロータ16を支持する回転軸である。また、シャフト18は、出力軸としても機能する。
A
コア20は、複数の鋼板が積層されたものであり、その中心にはシャフト18が貫通した状態で固定されている。巻線22は、コア20の溝20aに巻き回されており、電流が流れることで磁力を生じさせる。
The
コミテータ24は、コア20と同様にシャフト18に固定されている。コミテータ24は、接触するブラシ30を通して通電される電流を巻線22に適切なタイミングで流す接点である。ブラシ30は、例えば、貴金属等を主成分とするフォーク状の金属ブラシである。また、ブラシ30の可撓部にはダンパ(紙面裏側に配置:不図示)が取り付けられている。なお、ブラシは、カーボンブラシの場合もありうる。一方、コミテータ24は、例えば、ブラシ30との摺動部が銀含有金属で構成されている。
The
ブラシ30は、端子となるブラシベース32と接続された状態で、ブラシホルダ34に固定されている。ブラシホルダ34は、ハウジング12内に装着される。そして、エンドベル36でハウジング12の開口部が蓋をされる。
The
バリスタ26は、コア20とコミテータ24との間に配置されており、コミテータ24とブラシ30との間での火花の発生を抑制し火花摩耗を低減する素子である。バリスタ26には、例えば、ディスク状のセラミックバリスタが用いられる。
The
図3は、ロータをシャフトの軸方向から見たブラシとコミテータとの接触状態を説明するための模式図である。図3に示すように、コミテータ24は、3つのコミテータ片24a,24b,24cからなる。そして、図3では、一対のブラシ30の一方のブラシ30aが一つのコミテータ片24aと接触し、他方のブラシ30bが他の一つのコミテータ片24bと接触している。そして、コミテータ24が回転することで、各ブラシ30a,30bと接触するコミテータ片が入れ替わり、整流が行われる。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining a contact state between the brush and the commutator when the rotor is viewed from the axial direction of the shaft. As shown in FIG. 3, the
次に、ブラシとコミテータとの間の火花摩耗について説明する。図4(a)は、ブラシとコミテータとの間で生じる火花摩耗を模式的に示した図、図4(b)は、ブラシの摩耗箇所を模式的に示した図、図4(c)は、コミテータの摩耗箇所を模式的に示した図である。 Next, spark wear between the brush and the commutator will be described. FIG. 4 (a) is a diagram schematically showing spark wear generated between the brush and the commutator, FIG. 4 (b) is a diagram schematically showing a wear point of the brush, and FIG. 4 (c) is a diagram. It is the figure which showed typically the wear location of the commutator.
図4(a)に示すように、コミテータ24とブラシ30との接触部38では、ロータの回転により、それまでブラシ30と接触していた一つのコミテータ片が離間する際に火花が発生することがある。その結果、図4(b)に示すように、ブラシ30bの接触部40には摩耗が生じている。また、図4(c)に示すように、コミテータ24の外側領域の一部領域42にも摩耗が生じている。このような摩耗について、本発明者らが鋭意検討したところ、適切な特性のバリスタ26を用いることで改善できることを見いだした。
As shown in FIG. 4A, in the
はじめに、摩耗深さの定義について説明する。図5(a)は、図4(a)のブラシ30bとコミテータ24との接触領域におけるブラシ30bの摩耗部分の拡大図、図5(b)は、図4(a)のブラシ30bとコミテータ24との接触領域におけるコミテータ24の摩耗部分の拡大図である。
First, the definition of the wear depth will be described. 5A is an enlarged view of a worn portion of the
図5(a)に示す摩耗深さd1は、ブラシ30bの摺動部において、火花等の発生で生じる摩耗が最も深い領域の値である。図5(b)に示す摩耗深さd2は、コミテータ片24bの摺動部において、火花等の発生で生じる摩耗がコミテータの径方向において最も深い領域の値である。
The wear depth d1 shown in FIG. 5A is a value in a region where the wear caused by the occurrence of a spark or the like is deepest in the sliding portion of the
ブラシ30bの摩耗深さd1やコミテータ24の摩耗深さd2は、モータの構成やバリスタの特性に大きく依存することを本発明者らは見いだした。以下、試験結果に基づいて適切なバリスタの構成やモータの構成について説明する。
The present inventors have found that the wear depth d1 of the
図14は、静電容量が異なるバリスタを用いたモータについて所定の寿命試験を行った結果を示す図である。グループLのバリスタは、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が2.5〜3.4nFのものであり、グループHのバリスタは、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.5〜8.5nFのものである。静電容量の測定電圧は1Vrmsとした。また、測定には一般的なLCRメータを用いた。寿命試験は、自動車の電装部品の一つであるステアリングロックの動作を想定したモードで行った。 FIG. 14 is a diagram showing a result of a predetermined life test performed on a motor using varistors having different capacitances. Group L varistors have a capacitance of 2.5 to 3.4 nF when measuring 1 MHz between any adjacent electrodes, and Group H varistors are used when measuring 1 MHz between any adjacent electrodes. Capacitance is 7.5 to 8.5 nF. The measurement voltage of the capacitance was 1 Vrms. Further, a general LCR meter was used for the measurement. The life test was conducted in a mode that assumed the operation of the steering lock, which is one of the electrical components of the automobile.
試験条件は、各バリスタをDCモータに装着し、常温下で電圧を13Vにして負荷状態で通電する。負荷は約180g・cmとした。通電条件は、モータを一方向に回転させるようにし、0.2s通電、7.3s停止(停止時、ショートブレーキあり。)を連続して38000サイクルまで行った(モード1)。モード1において38000サイクルに達する前にブラシやコミテータの摩耗が許容量を超えた場合は、そこまでのサイクル数が寿命となる。 The test condition is that each varistor is attached to a DC motor, and the voltage is set to 13 V at normal temperature and the load is energized. The load was about 180 g · cm. The energization conditions were such that the motor was rotated in one direction and 0.2 s energization and 7.3 s stop (when stopped, with short brake) were continuously performed up to 38000 cycles (mode 1). If the wear of the brush or commutator exceeds the allowable amount before reaching 38000 cycles in mode 1, the number of cycles up to that time becomes the lifetime.
モータの一方向の断続回転動作が38000サイクルまで達した場合、モータが他方向に回転するように通電条件を変更する。具体的には、常温下で電圧を14Vにして負荷状態で通電する。負荷は約21g・cmとした。この際の通電条件は、モータを他方向に回転させるようにし、0.3s通電、2.7s停止(停止時、ショートブレーキあり。)を連続して38000サイクルまで行った(モード2)。モード2において38000サイクルに達する前にブラシやコミテータの摩耗が許容量を超えた場合は、モード1でのサイクル数を含めたそれまでのサイクル数が寿命となる。 When the intermittent rotation operation in one direction of the motor reaches 38000 cycles, the energization condition is changed so that the motor rotates in the other direction. Specifically, it is energized in a load state with a voltage of 14 V at room temperature. The load was about 21 g · cm. The energization conditions at this time were such that the motor was rotated in the other direction, and energization for 0.3 s and 2.7 s stop (when stopped, with short brake) were continuously performed up to 38000 cycles (mode 2). If the wear of the brush or commutator exceeds the allowable amount before reaching 38000 cycles in mode 2, the number of cycles up to that including the number of cycles in mode 1 becomes the lifetime.
そして、モード1及びモード2を交互に繰り返しながら、ブラシやコミテータの摩耗が許容量を超えるまで寿命試験を行った。その結果、図14に示すように、1MHz測定時の静電容量が比較的低いグループL(静電容量が2.5〜3.4nF)のバリスタを用いたモータ(サンプル数N=3)では、サイクル数は、33000サイクル、33000サイクル、26000サイクルであった。一方、1MHz測定時の静電容量が比較的高いグループH(静電容量が7.5〜8.5nF)のバリスタを用いたモータ(サンプル数N=3)では、サイクル数は、152000サイクル、221000サイクル、165000であった。このような結果から、バリスタの1MHz測定時の静電容量の相違が、モータの寿命(ブラシやコミテータの摩耗寿命)に大きく影響を与えることが予想される。 Then, while repeating mode 1 and mode 2 alternately, a life test was performed until the wear of the brush and the commutator exceeded an allowable amount. As a result, as shown in FIG. 14, in a motor using a varistor of group L (capacitance is 2.5 to 3.4 nF) having a relatively low capacitance at 1 MHz measurement (number of samples N = 3). The number of cycles was 33000 cycles, 33000 cycles, and 26000 cycles. On the other hand, in a motor using a varistor of group H (capacitance is 7.5 to 8.5 nF) having a relatively high electrostatic capacity at 1 MHz measurement, the number of cycles is 152,000 cycles, 221,000 cycles, 165000. From these results, it is expected that the difference in the electrostatic capacity of the varistor at the time of 1 MHz greatly affects the life of the motor (the wear life of the brush and the commutator).
なお、この寿命試験で用いたモータは、コミテータの位置が中性(進角でも遅角でもない位置)で設定してある。図15は、ブラシとコミテータとの位置関係が中性位置となっている状態を示す模式図である。図15に示すように、ロータ16では、回転方向において、コミテータ24のスリット24dとコア20の磁極の位相とが同じになるように構成されている。つまり、このようなロータを備えるDCモータは、正転動作及び逆転動作での使用を想定して構成されていることになる。
In the motor used in this life test, the position of the commutator is set to be neutral (a position that is neither an advance angle nor a retard angle). FIG. 15 is a schematic diagram illustrating a state where the positional relationship between the brush and the commutator is a neutral position. As shown in FIG. 15, the
(摩耗試験1)
図6は、DCモータを摩耗試験した場合の負ブラシの摩耗深さとバリスタの静電容量との関係を示す図である。図7は、DCモータを摩耗試験した場合のコミテータの摩耗深さとバリスタの静電容量との関係を示す図である。試験に用いたDCモータは、例えば、後述する図13に示す構成であり、車両電装品(例えばステアリングロック機構)の駆動に用いられるものであり、停動電流Isが約2.6Aである。ここで、停動電流Isとは、回転中のモータの負荷を増加させて、モータの回転が停止した時の電流値である。
(Abrasion test 1)
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the wear depth of the negative brush and the capacitance of the varistor when a DC motor is subjected to a wear test. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the wear depth of the commutator and the capacitance of the varistor when a DC motor is subjected to a wear test. The DC motor used for the test has, for example, a configuration shown in FIG. 13 to be described later, and is used for driving a vehicle electrical component (for example, a steering lock mechanism), and has a stationary current Is of about 2.6A. Here, the stationary current Is is a current value when the rotation of the motor is stopped by increasing the load of the rotating motor.
摩耗試験は、以下の条件で行った。はじめに、E10値が13〜18.4Vのバリスタを用意した。そして、各バリスタの任意の隣り合う電極間の静電容量を1MHzで測定し、静電容量に応じて7つのグループ(A〜G)に分けた。グループAは静電容量が2.5〜3.4nF(1MHz測定時、以下、適宜省略する。)のもの、グループBは静電容量が4.2〜4.8nFのもの、グループCは静電容量が5.1〜5.5nFのもの、グループDは静電容量が5.6〜6.1nFのもの、グループEは静電容量が6.6〜7.0nFのもの、グループFは静電容量が7.5〜8.0nFのもの、グループGは静電容量が8.0〜8.5nFのものである。静電容量の測定電圧は1Vrmsとした。また、測定には一般的なLCRメータを用いた。各グループでのサンプル数Nは3である。 The abrasion test was performed under the following conditions. First, E 10 value was prepared varistor of 13~18.4V. And the electrostatic capacitance between the arbitrary adjacent electrodes of each varistor was measured at 1 MHz, and it divided into seven groups (AG) according to the electrostatic capacitance. Group A has a capacitance of 2.5 to 3.4 nF (when omitted at 1 MHz, hereinafter omitted), Group B has a capacitance of 4.2 to 4.8 nF, and Group C has a static capacitance. Capacitance between 5.1 and 5.5 nF, Group D with capacitance between 5.6 and 6.1 nF, Group E with capacitance between 6.6 and 7.0 nF, Group F Capacitance is 7.5 to 8.0 nF, and Group G has a capacitance of 8.0 to 8.5 nF. The measurement voltage of the capacitance was 1 Vrms. Further, a general LCR meter was used for the measurement. The number of samples N in each group is 3.
そして、各バリスタをDCモータに装着し、常温下で電圧を13Vにして負荷状態で通電する。負荷は約180g・cmとした。通電条件は、モータを一方向に回転させるようにし、0.2s通電、7.3s停止(停止時、ショートブレーキあり。)を20000サイクル行った。その際の負荷時の電流は、約1.9Aである。その後、各モータから負ブラシ30bとコミテータ24とを取り出し摩耗深さd1,d2を測定し、グループ毎にその範囲と平均値とを算出した。
Then, each varistor is mounted on a DC motor, and the voltage is set to 13 V at normal temperature and energized in a loaded state. The load was about 180 g · cm. The energization conditions were such that the motor was rotated in one direction and 0.2s energization and 7.3s stop (when stopped, with short brake) were performed 20000 cycles. The current at the time of load at that time is about 1.9A. Then, the
図6に示すように、負ブラシの摩耗深さd1は、グループA〜グループE(静電容量が7nF以下)のバリスタを用いたDCモータの場合において非常に大きく、75μm程度である。一方、静電容量が7nFを超えているグループF,G(静電容量が7.5nF以上)のバリスタを用いたDCモータでは、負ブラシの摩耗深さd1は、非常に小さくなっており、20〜25μm程度である。 As shown in FIG. 6, the wear depth d1 of the negative brush is very large in the case of a DC motor using a varistor of group A to group E (capacitance is 7 nF or less), and is about 75 μm. On the other hand, in the DC motor using the varistors of groups F and G (capacitance is 7.5 nF or more) whose capacitance exceeds 7 nF, the wear depth d1 of the negative brush is very small, It is about 20-25 micrometers.
また、図7に示すように、コミテータの摩耗深さd2は、グループA〜グループE(静電容量が7nF以下)のバリスタを用いたDCモータの場合において非常に大きく、70〜80μm程度である。一方、静電容量が7nFを超えているグループF,G(静電容量が7.5nF以上)のバリスタを用いたDCモータでは、コミテータの摩耗深さd2は、非常に小さくなっており、35〜40μm程度である。 Further, as shown in FIG. 7, the wear depth d2 of the commutator is very large in the case of a DC motor using a varistor of group A to group E (capacitance is 7 nF or less), and is about 70 to 80 μm. . On the other hand, in the DC motor using the varistors of groups F and G (capacitance is 7.5 nF or more) whose capacitance exceeds 7 nF, the wear depth d2 of the commutator is very small. ˜40 μm.
このように、E10値が一定の範囲のバリスタを用いたにもかかわらず、ブラシやコミテータ摩耗の程度が大きく異なる場合がある。つまり、ブラシやコミテータの摩耗は、E10値のみには余り依存しないことがわかる。 As described above, there is a case where the degree of wear of the brush and the commutator is greatly different even though the varistor having the constant E10 value is used. That is, it can be seen that the wear of the brush and the commutator does not depend much on the E10 value alone.
つまり、E10値が13〜18.4Vであり、静電容量が7.0nFより大きい(より好ましくは7.5nF以上)バリスタを用いたDCモータでは、コミテータ24や負ブラシ30bの火花摩耗が約1/2〜1/3まで低減されるため、モータの寿命が向上する。
That is E 10 value is 13~18.4V, the capacitance is greater than 7.0NF (more preferably at least 7.5NF) The DC motor using a varistor, spark wear of the
(摩耗試験2)
次に、摩耗試験1とは異なる試験条件である摩耗試験2の場合について説明する。図8は、DCモータを電動シェーバーでの使用を想定して摩耗試験した場合の負ブラシの摩耗深さとバリスタの静電容量との関係を示す図である。図9は、DCモータを電動シェーバーでの使用を想定して摩耗試験した場合のコミテータの摩耗深さとバリスタの静電容量との関係を示す図である。試験に用いたDCモータは、例えば、図1に示す構成であり、停動電流Isが約7Aである。
(Abrasion test 2)
Next, the case of the abrasion test 2 which is a test condition different from the abrasion test 1 will be described. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the wear depth of the negative brush and the capacitance of the varistor when the DC motor is subjected to a wear test assuming use with an electric shaver. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the wear depth of the commutator and the capacitance of the varistor when a wear test is performed assuming that the DC motor is used in an electric shaver. The DC motor used for the test has, for example, the configuration shown in FIG. 1, and the stationary current Is is about 7A.
また、ここで用いたモータは、コミテータの位置が進角で設定してある。図10は、ブラシとコミテータとの位置関係が進角位置となっている状態を示す模式図である。図10に示すように、ロータ16では、回転方向において、コミテータ24のスリット24dがコア20の磁極の位相に対して角度θ進んだ位置となるように構成されている。つまり、このようなロータを備えるDCモータは、一方向での使用を想定して構成されていることになる。
In the motor used here, the position of the commutator is set as an advance angle. FIG. 10 is a schematic diagram showing a state in which the positional relationship between the brush and the commutator is an advance position. As shown in FIG. 10, the
摩耗試験は、以下の条件で行った。はじめに、E10値が1.5〜3.5V程度のバリスタを用意した。そして、各バリスタの任意の隣り合う電極間の静電容量を1MHzで測定し、静電容量に応じて4つのグループ(A’〜D’)に分けた。グループA’は静電容量が25nF程度のもの、グループB’は静電容量が17nF程度のもの、グループC’は静電容量が11nF程度のもの、グループD’は静電容量が6nF程度のものである。なお、グループE’はバリスタがない場合である。静電容量の測定電圧は1Vrmsとした。また、測定には一般的なLCRメータを用いた。各グループでのサンプル数Nは3である。 The abrasion test was performed under the following conditions. First, E 10 value was prepared varistor of about 1.5~3.5V. And the electrostatic capacitance between the arbitrary adjacent electrodes of each varistor was measured at 1 MHz, and it divided into four groups (A'-D ') according to the electrostatic capacitance. Group A ′ has a capacitance of about 25 nF, Group B ′ has a capacitance of about 17 nF, Group C ′ has a capacitance of about 11 nF, and Group D ′ has a capacitance of about 6 nF. Is. Group E ′ is a case where there is no varistor. The measurement voltage of the capacitance was 1 Vrms. Further, a general LCR meter was used for the measurement. The number of samples N in each group is 3.
そして、各バリスタ(グループA’〜D’)をDCモータに装着し、常温下で電圧を1.1Vにして負荷状態で通電する。負荷は約13gとした。通電条件は、モータを一方向に回転させるようにし、120s通電、2s停止(停止時、ショートブレーキなし。)を2200サイクル行った。その際の負荷時の電流は、約1.9Aである。その後、各モータから負ブラシ30bとコミテータ24とを取り出し摩耗深さd1,d2を測定し、グループ毎にその範囲と平均値とを算出した。
Then, each varistor (group A ′ to D ′) is mounted on a DC motor, and the voltage is set to 1.1 V at room temperature and energized in a load state. The load was about 13 g. The energization conditions were such that the motor was rotated in one direction, and energized for 120 s and stopped for 2 s (when stopped, no short brake) for 2200 cycles. The current at the time of load at that time is about 1.9A. Then, the
図8に示すように、負ブラシの摩耗深さd1は、グループD’(静電容量が6nF程度)のバリスタを用いたDCモータの場合、あるいはバリスタを用いていない(グループE’)DCモータの場合において大きく、30μm程度である。一方、静電容量が6nFを超えているグループA’〜C’(静電容量が7.5nF以上、より好ましくは静電容量が11nF以上)のバリスタを用いたDCモータでは、負ブラシの摩耗深さd1は、小さくなっており、20μm程度である。 As shown in FIG. 8, the negative brush wear depth d1 is the DC motor using a varistor of group D ′ (capacitance of about 6 nF) or a varistor is not used (group E ′). In this case, it is large and about 30 μm. On the other hand, in a DC motor using a varistor of groups A ′ to C ′ (capacitance is 7.5 nF or more, more preferably 11 nF or more) whose electrostatic capacity exceeds 6 nF, negative brush wear The depth d1 is small and is about 20 μm.
また、図9に示すように、コミテータの摩耗深さd2は、バリスタを用いていない(グループE’)DCモータの場合において非常に大きく、100μmを超えている。一方、静電容量が6nFを超えているグループA’〜D’(静電容量が6nF以上)のバリスタを用いたDCモータでは、コミテータの摩耗深さd2は、非常に小さくなっており、20μm程度である。 Further, as shown in FIG. 9, the wear depth d2 of the commutator is very large in the case of a DC motor that does not use a varistor (group E ′), and exceeds 100 μm. On the other hand, in the DC motor using the varistors of groups A ′ to D ′ (capacitance is 6 nF or more) whose electrostatic capacity exceeds 6 nF, the wear depth d2 of the commutator is very small, 20 μm. Degree.
つまり、E10値が1.5〜3.5Vであり、静電容量が6.0nFより大きい(より好ましくは7.5nF以上)バリスタを用いたDCモータであって、正転動作または逆転動作のいずれかの回転方向のみでの使用を想定して構成されているものであっても、コミテータ24やブラシ30の火花摩耗が低減されるため、モータの寿命が向上する。
That, E 10 value is 1.5~3.5V, capacitance greater than 6.0NF (more preferably at least 7.5NF) a DC motor using varistor, forward operation or reverse operation Even if it is configured to be used only in any one of the rotation directions, since the spark wear of the
(摩耗試験3)
次に、停動電流Isが異なる6種類のDCモータについて、それぞれ静電容量の異なるバリスタを用いて摩耗試験を行った。図11は、停動電流Isの異なる6つのDCモータを摩耗試験した場合の負ブラシの摩耗深さとバリスタの静電容量との関係を示す図である。図12は、停動電流Isの異なる6つのDCモータを摩耗試験した場合のコミテータの摩耗深さとバリスタの静電容量との関係を示す図である。試験に用いたDCモータは、例えば、後述する図13に示す構成であり、車両電装品(例えばステアリングロック機構)の駆動に用いられるものである。
(Abrasion test 3)
Next, a wear test was performed on six types of DC motors having different stationary currents Is using varistors having different capacitances. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the wear depth of the negative brush and the capacitance of the varistor when six DC motors having different stationary currents Is are subjected to wear tests. FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the wear depth of the commutator and the capacitance of the varistor when six DC motors having different quiescent currents Is are subjected to a wear test. The DC motor used for the test has, for example, a configuration shown in FIG. 13 to be described later, and is used for driving a vehicle electrical component (for example, a steering lock mechanism).
モータM1は停動電流Isが1.5A、モータM2は停動電流Isが1.8A、モータM3は停動電流Isが2A、モータM4は停動電流Isが2.2A、モータM5は停動電流Isが2.4A、モータM6は停動電流Isが3Aのものである。それぞれのモータについて、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量の異なるグループL(静電容量2.5〜3.5nF)とグループH(静電容量7.5nF〜8.3nF)のバリスタを用いて摩耗試験を行った。静電容量の測定電圧は1Vrmsとした。また、測定には一般的なLCRメータを用いた。なお、各グループのバリスタを用いたモータのサンプル数Nは3である。 The motor M1 has a stationary current Is of 1.5A, the motor M2 has a stationary current Is of 1.8A, the motor M3 has a stationary current Is of 2A, the motor M4 has a stationary current Is of 2.2A, and the motor M5 has stopped. The dynamic current Is is 2.4A, and the motor M6 has a stationary current Is of 3A. For each motor, group L (capacitance 2.5 to 3.5 nF) and group H (capacitance 7.5 nF to 8.3 nF) having different capacitances when measuring 1 MHz between any adjacent electrodes A wear test was conducted using a varistor. The measurement voltage of the capacitance was 1 Vrms. Further, a general LCR meter was used for the measurement. The number N of motor samples using the varistors of each group is 3.
摩耗試験は、以下の条件で行った。はじめに、E10値が13〜18.4Vのバリスタを用意し、各バリスタをDCモータに装着し、常温下で電圧を13Vにして負荷状態で通電する。通電条件は、モータを一方向に回転させるようにし、0.2s通電、7.3s停止(停止時、ショートブレーキあり。)を10000サイクル行った。その際の負荷時の電流は、約0.6Aである。その後、各モータから負ブラシ30bとコミテータ24とを取り出し摩耗深さd1,d2を測定し、グループ毎にその範囲と平均値とを算出した。
The abrasion test was performed under the following conditions. First, a varistor having an E10 value of 13 to 18.4 V is prepared, each varistor is mounted on a DC motor, and a voltage is set to 13 V at room temperature and energized in a loaded state. The energization conditions were such that the motor was rotated in one direction, and energized for 0.2 s and stopped for 7.3 s (when stopped, with a short brake) for 10,000 cycles. In this case, the load current is about 0.6A. Then, the
図11に示すように、負ブラシの摩耗深さd1は、モータM1(Is=1.5A)やモータM2(Is=1.8A)においては、グループL、グループHのいずれのバリスタを用いても、摩耗深さに大きな違いは生じなかった。一方、モータM3〜モータM6(Is=2A〜3A)においては、グループLよりもグループHのバリスタを用いた方が、摩耗深さが減少している。特に、モータM6(Is=3A)においては、グループLよりもグループHのバリスタを用いた方が、摩耗深さの減少がより大きくなっている。 As shown in FIG. 11, the wear depth d1 of the negative brush is determined by using either a group L or a group H varistor in the motor M1 (Is = 1.5A) or the motor M2 (Is = 1.8A). However, there was no significant difference in wear depth. On the other hand, in the motor M3 to the motor M6 (Is = 2A to 3A), the wear depth is reduced when the group H varistor is used rather than the group L. In particular, in the motor M6 (Is = 3A), the wear depth decreases more significantly when the group H varistor is used than when the group L is used.
また、図12に示すように、コミテータの摩耗深さd2は、モータM1(Is=1.5A)やモータM2(Is=1.8A)においては、グループL、グループHのいずれのバリスタを用いても、摩耗深さに大きな違いは生じなかった。一方、モータM3〜モータM6(Is=2A〜3A)においては、グループLよりもグループHのバリスタを用いた方が、摩耗深さが減少している。特に、モータM6(Is=3A)においては、グループLよりもグループHのバリスタを用いた方が、摩耗深さの減少がより大きくなっている。 Further, as shown in FIG. 12, the wear depth d2 of the commutator is a varistor of either group L or group H in the motor M1 (Is = 1.5A) or the motor M2 (Is = 1.8A). However, there was no significant difference in wear depth. On the other hand, in the motor M3 to the motor M6 (Is = 2A to 3A), the wear depth is reduced when the group H varistor is used rather than the group L. In particular, in the motor M6 (Is = 3A), the wear depth decreases more significantly when the group H varistor is used than when the group L is used.
このように、停動電流Isが1.5Aを超えるように構成されているDCモータ、より好ましくは、停動電流Isが2.0A以上となるように構成されているDCモータのように、高入力が想定される用途では、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.5nF以上のバリスタを用いることで、火花摩耗低減の効果がより高まる。 Thus, like a DC motor configured such that the stationary current Is exceeds 1.5 A, more preferably, a DC motor configured so that the stationary current Is is 2.0 A or more, In applications where high input is assumed, the effect of reducing spark wear is further enhanced by using a varistor having a capacitance of 7.5 nF or more when measuring 1 MHz between any adjacent electrodes.
上述のように、停動電流Isが2A以上となるように構成され、金属ブラシが用いられているDCモータの場合、摩耗はE10値のみに依存せずに、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量(7.5nF以上)に依存することがわかる。 As described above, in the case of a DC motor configured such that the stationary current Is is 2 A or more and a metal brush is used, the wear does not depend only on the E10 value, and 1 MHz between any adjacent electrodes. It turns out that it depends on the electrostatic capacitance (7.5 nF or more) at the time of measurement.
次に、DCモータの変形例について説明する。図13(a)は、本実施の形態の変形例に係るDCモータの一部破断面図、図13(b)は、図13(a)のR領域の拡大図である。 Next, a modified example of the DC motor will be described. FIG. 13A is a partially broken sectional view of a DC motor according to a modification of the present embodiment, and FIG. 13B is an enlarged view of an R region in FIG.
図13(a)、図13(b)に示すDCモータ110は、4極6溝モータである点が図1に示すDCモータ10と大きく異なる。DCモータ110は、筒状のハウジング112の内壁にマグネット114が1個または複数個配置されている。マグネット114は、内側に磁極(N極及びS極)が位置するように配置されており、ハウジング112の内壁の周方向に沿ってN極とS極が交互に並んでいる。
The
ハウジング112の中央部にはロータ116が配置されている。ロータ116は、シャフト118、コア120と、巻線122と、コミテータ(整流子)124と、バリスタ126とを備える。シャフト118は、軸受128a,128bを介して、ロータ116を支持する回転軸である。また、シャフト118は、出力軸としても機能する。
A
コア120は、複数の鋼板が積層されたものであり、その中心にはシャフト118が貫通した状態で固定されている。巻線122は、コア120の溝120aに巻き回されており、電流が流れることで磁力を生じさせる。
The
コミテータ124は、コア120と同様にシャフト118に固定されている。コミテータ124は、接触するブラシ130を通して通電される電流を巻線122に適切なタイミングで流す接点である。ブラシ130は、例えば、貴金属等を主成分とするフォーク状の金属ブラシである。また、ブラシ130の可撓部にはダンパ131が取り付けられている。なお、ブラシは、カーボンブラシの場合もありうる。一方、コミテータ124は、例えば、ブラシ130との摺動部が銀含有金属で構成されている。
The
ブラシ130は、端子となるブラシベース132と接続された状態で、ブラシホルダ134に固定されている。ブラシホルダ134は、ハウジング112内に装着される。そして、エンドベル136でハウジング112の開口部が蓋をされる。
The
バリスタ126は、コア120とコミテータ124との間に配置されており、コミテータ124とブラシ130との間での火花の発生を抑制し火花摩耗を低減する素子である。バリスタ126には、例えば、ディスク状のセラミックバリスタが用いられる。
The
次に、バリスタの電極数およびコミテータ片の数と、バリスタの好適な静電容量との関係を説明する。例えば、図1に示すDCモータ10においては、コミテータ片の数n1が3、バリスタの電極数n2が3である。図16は、図1に示すDCモータ10の回路構成の一例を示す図である。図17(a)は、電極が3極のディスクバリスタの上面図、図17(b)は、電極が6極のディスクバリスタの上面図である。
Next, the relationship between the number of electrodes of the varistor and the number of commutator pieces and a suitable capacitance of the varistor will be described. For example, in the
図16では、図17(a)に示す3極のディスクバリスタを用いた場合について説明する。なお、本実施の形態に係るディスクバリスタは、例えば、チタン酸ストロンチウムを主成分とするものである。チタン酸ストロンチウムは、誘電率が高いため、コンデンサ兼用バリスタとして用いられる。 FIG. 16 illustrates a case where the three-pole disk varistor shown in FIG. The disk varistor according to the present embodiment is mainly composed of strontium titanate, for example. Since strontium titanate has a high dielectric constant, it is used as a capacitor varistor.
コミテータ24は、各コミテータ片24a,24b,24cの一部と、バリスタ26の各電極26a,26b,26cとが接続されている。各電極は、互いに隙間を設けて円弧状に形成されている。また、コミテータ24の他部と巻線22が接続されている。詳述すると、コミテータ片24aとコミテータ片24bとの間に巻線22aが接続されており、コミテータ片24bとコミテータ片24cとの間に巻線22bが接続されており、コミテータ片24cとコミテータ片24aとの間に巻線22cが接続されている。なお、図17(a)に示すバリスタ26は、外径が10〜11mm程度、内径が6〜7mm程度である。また、バリスタ26の電極1つ当たりの面積は、約12.6mm2である。
In the
図18は、図13に示すDCモータ110の回路構成の一例を示す図である。図18では、図17(b)に示す6極のディスクバリスタを用いた場合について説明する。
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the
コミテータ124は、円筒を回転方向に6つに分割した円弧状のコミテータ片124a,124b,124c,124d,124e,124fを有する。また、巻線122は、コア120の6つのティースに巻き回された6つの巻線122a,122b,122c,122d,122e,122fを有する。また、バリスタ126は、互いの間に隙間が設けられている6つの円弧状の電極126a,126b,126c,126d,126e,126fを有する。
The
コミテータ124は、各コミテータ片124a,124b,124c,124d,124e,124fの一部と、バリスタ126の各電極126a,126b,126c,126d,126e,126fとが接続されている。また、コミテータ124の他部と巻線22が接続されている。詳述すると、コミテータ片124aとコミテータ片124eとの間に巻線122a,122dが接続されており、コミテータ片124bとコミテータ片124fとの間に巻線122b,122eが接続されており、コミテータ片124cとコミテータ片124dとの間に巻線122c,122fが接続されている。なお、図17(b)に示すバリスタ126は、外径が8.6mm±0.2mm程度、内径が4.9mm±0.1mm程度である。また、バリスタ126の電極1つ当たりの面積は、約6.3mm2である。なお、バリスタの静電容量を高めるためには電極1つ当たりの面積を広くすればよいが、バリスタが大きくなってしまう。そこで、好ましくは、バリスタ126の電極1つ当たりの面積は、6.3mm2以下であるとよい。
In the
図16や図18に示すように、コミテータ片の数n1とバリスタの電極数n2とが同じ(N=(n1/n2)=1)DCモータの場合、前述したように、バリスタは、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.0nFより大きい(より好ましくは7.5nF以上である)とよい。 As shown in FIGS. 16 and 18, the number n 1 and the number of electrodes of the varistor n 2 and the same commutator pieces (N = (n 1 / n 2) = 1) when the DC motor, as described above, the varistor The capacitance at the time of 1 MHz measurement between any adjacent electrodes is preferably greater than 7.0 nF (more preferably 7.5 nF or more).
次に、コミテータ片の数n1(6片)とバリスタの電極数n2(3極)とが異なる場合について説明する。図19は、図13に示すDCモータ110の回路構成の変形例を示す図である。なお、バリスタが3極である以外は、図18に示す回路と同じである。
Next, a case where the number of commutator pieces n 1 (six pieces) and the number of electrodes varistors n 2 (three poles) are different will be described. FIG. 19 is a diagram showing a modification of the circuit configuration of the
このように、コミテータ片の数n1がバリスタの電極数n2の整数倍(N=(n1/n2)=2)のDCモータの場合、バリスタは、任意の隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.0nF×Nより大きい(より好ましくは7.5nF×N以上である)とよい。 Thus, in the case of a DC motor in which the number n 1 of the commutator pieces is an integral multiple of the number n 2 of varistor electrodes (N = (n 1 / n 2 ) = 2), the varistor is 1 MHz between any adjacent electrodes. The capacitance at the time of measurement is preferably larger than 7.0 nF × N (more preferably 7.5 nF × N or more).
以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて各実施の形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 As described above, the present invention has been described with reference to the above-described embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the present invention can be appropriately combined or replaced with the configuration of the embodiment. It is included in the present invention. Further, based on the knowledge of those skilled in the art, it is possible to appropriately change the combination and processing order in each embodiment and to add various modifications such as various design changes to the embodiment. Added embodiments may be included in the scope of the present invention.
10 DCモータ、 12 ハウジング、 14 マグネット、 16 ロータ、 18 シャフト、 20 コア、 20a 溝、 22 巻線、 24 コミテータ、 26 バリスタ、 30 ブラシ、 38,40 接触部、 110 DCモータ、 112 ハウジング、 114 マグネット、 116 ロータ、 118 シャフト、 120 コア、 120a 溝、 122 巻線、 124 コミテータ、 126 バリスタ、 130 ブラシ。
10 DC motor, 12 housing, 14 magnet, 16 rotor, 18 shaft, 20 core, 20a groove, 22 winding, 24 commutator, 26 varistor, 30 brush, 38, 40 contact part, 110 DC motor, 112 housing, 114
Claims (5)
前記バリスタは、E10値が13〜18.4Vであり、隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.5nF×N(前記DCモータが備えるコミテータ片の数をn1、前記バリスタの電極数をn2とした場合、N=(n1/n2))以上であり、
前記ブラシは、金属ブラシであり、
該DCモータの停動電流Isが2A以上となるように構成されていることを特徴とするDCモータ。 A DC motor having a varistor that suppresses the occurrence of sparks between the brush and the commutator,
The varistor is an E 10 value is 13~18.4V, n 1 the number of commutator pieces capacitance at 1MHz measurement between adjacent electrodes is provided in the 7.5nF × N (the DC motor, the varistor N = (n 1 / n 2 )) or more, where n 2 is the number of electrodes of
The brush is a metal brush,
A DC motor characterized in that the stationary current Is of the DC motor is configured to be 2 A or more.
前記バリスタは、隣り合う電極間の1MHz測定時の静電容量が7.5nF×N(前記DCモータが備えるコミテータ片の数をn1、前記バリスタの電極数をn2とした場合、N=(n1/n2))以上であり、
前記ブラシは、金属ブラシであり、
該DCモータの停動電流Isが2A以上となるように構成されており、
正転動作及び逆転動作での使用を想定して構成されていることを特徴とするDCモータ。 A DC motor having a varistor that suppresses the occurrence of sparks between the brush and the commutator,
The varistor has a capacitance of 7.5 nF × N when measuring 1 MHz between adjacent electrodes (when the number of commutator pieces included in the DC motor is n 1 and the number of electrodes of the varistor is n 2 , N = (n 1 / n 2)) or more,
The brush is a metal brush,
The DC motor stationary current Is is configured to be 2 A or more,
A DC motor configured to be used in a forward rotation operation and a reverse rotation operation.
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