本発明は、回転軸をアースする構造を備える回転電機に関する。

電動車両の駆動用モータとして適用される回転電機は、ブラシレスモータである。このブラシレスモータは、インバータなどのスイッチング素子でステータコイルの電流を制御して固定鉄心の磁極を切り換え、永久磁石の入ったロータを駆動させる。そして、ブラシレスモータは、摺接部材となるブラシを設けないことによって回転抵抗を軽減するだけでなく、摩耗したブラシを交換する等のブラシに関するメンテナンスを不要にすることを利点としている。

ところが、電動車両に搭載される回転電機は、駆動するために電力が供給される、または、バッテリを充電するために回転力が加えられるなど、ステータコイルに電流が流れることによって回転軸が誘起され、ノイズ(いわゆるラジオノイズ)が発生することが知られている。

特許文献1では、このノイズを除去するために、接地された摺接部材をモータの回転軸に接触させている。この摺接部材は、グラファイト、二硫化モリブデンなどの固体潤滑剤を含む焼結金属、耐摩耗性金属などから構成された導電性部材とし、回転軸の端部の外周面に摺接するように配置され、もしくは、回転軸の端面に接するように配置され、スプリングで押し当てられている。

特開2000−244180号公報

しかしながら、特許文献1のようにアースとなる摺接部材(ブラシ)を回転軸に押し当てるようにすると、摺接部材が摩耗することによって摩耗粉が発生する。この摩耗粉は、導電性であるため、回転電機の内部に飛散すると、ロータのベアリングやステータコイルあるいはレゾルバなどの電子部品に付着し、悪影響を及ぼす可能性がある。

そこで、本発明は、回転軸に接触させるブラシの摩耗粉を内部に飛散させない機構を有した回転電機を提供する。

本発明に係る一実施形態の回転電機は、ロータシャフトと、蓋と、支持ロッドと、ブラシと、弾性部材とを備える。ロータシャフトは、回転中心線に沿って端部から凹んだ収納部を有する。蓋は、回転中心線に沿って貫通孔を有し、ロータシャフトの端部に取り付けられて収納部を塞ぐ。支持ロッドは、貫通孔に通され回転中心線に沿って移動可能である。ブラシは、収納部の中へ延びた支持ロッドに取り付けられ、支持ロッドを介してアースされる。弾性部材は、支持ロッドを回転中心線に沿って付勢し、ロータシャフトにブラシを電気的に接続する。

このとき、ブラシの外径は、貫通孔の内径よりも大きくする。また、弾性部材は、収納部の外へ延びた支持ロッドの端部に取り付け、蓋に押し当てる方向にブラシを付勢する。この場合、回転電機は、ガイドと指標を備えてもよい。ガイドは、収納部の外へ延びた支持ロッドの端部を蓋から離れた位置で回転中心線に沿って支持ロッドを移動可能に案内する。指標は、支持ロッドの外周面に設けられ、ブラシが予め定めた以上に摩耗した場合にガイドに少なくとも一部が隠れる。

または、弾性部材は、収納部の外へ延びた支持ロッドの端部に取り付け、収納部に押し当てる方向にブラシを付勢する。この場合、回転電機は、支持ロッドの外周面に設けられてブラシが予め定めた以上に摩耗した場合に蓋の貫通孔に少なくとも一部が隠れる指標をさらに備える。

または、蓋は、端部よりも収納部側に入り込んだ位置に固定される中蓋と、端部の縁に固定される外蓋と、を備え、ブラシは中蓋よりも奥に配置される。そして、弾性部材は、収納部の外へ延びた支持ロッドの端部に取り付けられ、中蓋に押し当てる方向にブラシを付勢する。この場合、回転電機は、支持ロッドの外周面に設けられてブラシが予め定めた以上に摩耗した場合に外蓋の貫通孔から少なくとも一部が覗く指標をさらに備える。

また、本発明に係る他の実施形態の回転電機は、ロータシャフトと仕切板と蓋と支持ロッドと第1のブラシと第2のブラシとを備える。ロータシャフトは、回転中心線に沿って端部から凹んだ収納部を有している。仕切板は、回転中心線に沿って第1の貫通孔を有し、回転中心線に直交して収納部の内部に固定される。蓋は、回転中心線に沿って第2の貫通孔を有し、ロータシャフトの端部に取り付けられて収納部を塞ぐ。支持ロッドは、第1の貫通孔及び第2の貫通孔に通され、回転中心線に沿って移動可能である。第1のブラシは、仕切板を越えた支持ロッドの先端に取り付けられ、支持ロッドを介してアースされる。第2のブラシは、仕切板と蓋の間の支持ロッドに取り付けられ、支持ロッドを介してアースされる。

本発明に係る回転電機によれば、支持ロッドを介してアースされたブラシをロータシャフトの端部に設けられた収納部に格納し、弾性部材で回転中心線方向に付勢することで、ロータシャフトにブラシを電気的に接続する。ブラシは収納部に収まっているので、経年的にブラシが摩耗することによって発生する摩耗粉は、収納部内に留まり、外部へ排出されない。摩耗粉が回転電機の内部に拡散されないので、回転電機及びその内部の電子部品を良好な状態(電気的に安定した状態)に保つことができる。

ブラシの外径が貫通孔の内径よりも大きい発明の回転電機によれば、ブラシが摩耗することによって発生する摩耗粉が、貫通孔から排出されにくくなる。また、収納部の外へ延びた支持ロッドの端部に弾性部材を取り付け、蓋に押し当てる方向にブラシを付勢する発明の回転電機によれば、収納部に面した貫通孔の縁とブラシとが環状に接触する。つまり、回転軸となるロータシャフトの外周面にブラシを当てる場合よりも回転半径の小さい範囲にブラシが接触し、また、ロータシャフトの中心に対して点接触させる場合よりも接触面積が広くなる。回転半径の小さい範囲にブラシが接することによってブラシの摺動速度が遅くなるとともに、接触面積が増えることで蓋に対してブラシを押し当てる単位面積当たりの押し付け力が小さくなる。したがって、ブラシの摩耗量を軽減でき、発生する摩耗粉も少なくなる。

また、ガイドと指標をさらに備える発明の回転電機によれば、収納部の外へ延びた支持ロッドを蓋から離れた位置でガイドが支持しており、支持ロッドの外周面に設けられた指標は、予め定めた以上にブラシが摩耗した場合にその一部がガイドに隠れる。したがって、蓋からガイドまでの間に露出している指標の位置を確認するだけで、回転電機をメンテナンスする際に蓋を取り外すことなくブラシの摩耗状態を確認することができる。

収納部の外へ延びた支持ロッドの端部に弾性部材を取り付け、収納部に押し当てる方向にブラシを付勢する発明の回転電機によれば、蓋に設けられた貫通孔から離れた位置で摩耗粉が発生する。したがって、貫通孔を通して収納部の外へ摩耗粉が排出されにくくなる。このとき、予め設定された以上にブラシが摩耗した場合に、少なくともその一部が貫通孔に隠れる指標を支持ロッドの外周面に設けた発明の回転電機によれば、回転電機をメンテナンスする際に蓋を取り外さなくても、この指標の位置を確認することで、ブラシの摩耗状態を確認することができる。

また、蓋が中蓋と外蓋で構成され、ブラシを中蓋よりも奥に配置し、ブラシを中蓋に押し当てる方向へ弾性部材で付勢する発明の回転電機によれば、ブラシが摩耗することに伴って支持ロッドが収納部から引き出された場合に、中蓋とブラシの間で発生した摩耗粉が支持ロッドに付着していても、外蓋が取り付けられているので、中蓋と外蓋の間の収納部がダストトラップとして機能し、摩耗粉が収納部の外へ排出されにくくなる。このとき、予め定められた以上にブラシが摩耗した場合に、その一部が外蓋の貫通孔から覗く指標を支持ロッドの外周面に設けた発明の回転電機によれば、回転電機をメンテナンスする際に外蓋及び中蓋を取り外すことなく、指標の位置を確認することによって、ブラシの摩耗状態を確認することができる。

本発明に係る他の実施形態の回転電機によれば、ロータシャフトと仕切板と蓋と支持ロッドと第1のブラシと第2のブラシとを備える。ロータシャフトは、回転中心線に沿って端部から凹んだ収納部を有している。仕切板は、回転中心線に沿って第1の貫通孔を有し、回転中心線に直交して収納部の内部に固定される。蓋は、回転中心線に沿って第2の貫通孔を有し、ロータシャフトの端部に取り付けられて収納部を塞ぐ。支持ロッドは、第1の貫通孔及び第2の貫通孔に通され、回転中心線に沿って移動可能である。第1のブラシは、仕切板を越えた支持ロッドの先端に取り付けられ、支持ロッドを介してアースされており、第2のブラシは、仕切板と蓋との間の支持ロッドに取り付けられ、支持ロッドを介してアースされている。したがって、仕切板は収納部の内部に設置されるとともに収納部が蓋で覆われるので、ブラシの摩耗粉は、収納部の外に排出されにくくなる。

また、回転中心線に沿う方向に加速度の変化を受けると、支持ロッド及びこれに取り付けられた第1のブラシと第2のブラシは、これらの慣性力によって回転中心線に沿って移動し、第1のブラシと第2のブラシのどちらか一方が仕切板に接触する。したがって、第1のブラシ及び第2のブラシが仕切板に接することで摩耗する量は、ブラシが単体である場合に比べて軽減される。第1のブラシ及び第2のブラシは、回転中心線に沿う方向に加速度を受けた時に、加速度を受けた方向と反対側のブラシが仕切板に対して押し当てられ、それ以外の場合は第1のブラシ又は第2のブラシが仕切板に接した偏った状態に保持される。つまり加速度を受けていない間は、第1のブラシ及び第2のブラシは仕切板に押し当てられていないので、仕切板に接している第1のブラシ又は第2のブラシの摩耗も軽減される。

本発明に係る第1の実施形態の回転電機を模式的に示す断面図。

図1の回転電機のアース機構の周辺を拡大した断面図。

図2のアース機構の周辺を拡大した断面図。

図3のアース機構のブラシが摩耗した状態の断面図。

本発明に係る第2の実施形態の回転電機のアース機構の断面図。

本発明に係る第3の実施形態の回転電機のアース機構の断面図。

図6のアース機構のブラシが摩耗した状態の断面図。

本発明に係る第4の実施形態の回転電機のアース機構の断面図。

図8のアース機構のブラシが摩耗した状態の断面図。

本発明に係る第5の実施形態の回転電機のアース機構の断面図。

図10のアース機構のブラシが仕切板に接触した状態の断面図。

本発明に係る第1の実施形態の回転電機1について、図1から図4を参照して説明する。図1に示す回転電機1は、ハウジング2の中にロータ3とステータ4とを備え、例えば駆動用モータとして電動車両に搭載されるいわゆるブラシレスモータである。ロータ3は、回転軸となるロータシャフト31と、そのロータシャフト31の胴部に圧入して装着される積層鉄心32と、積層鉄心32に組み込まれる永久磁石33と、を備える。ロータシャフト31の両端は、ベアリング34を介してハウジング2に保持されている。ステータ4は、ロータ3に対してわずかな隙間を設けてハウジング2の中に固定された積層鉄心41と、この積層鉄心41に巻かれたコイル42とを備える。コイル42に流れる電流によって、ステータ4の積層鉄心41に複数の磁極が形成される。回転電機1は、ロータ3の回転角度を検出するレゾルバ5をロータ3の端部にさらに備える。回転電機1は、レゾルバ5によって検出されるロータ3の回転角度を基に、コイル42に流れる電流をインバータなどのスイッチング回路(あるいはスイッチング素子)によって制御されることで、ロータ3を回転させる。

ステータ4の外周面に密着するハウジング2は、ウォータジャケット21を内蔵しており、コイル42に流れる電流によって発生する熱を除去する。回転電機1は、ロータ3に回転力を加えられることで発電することもできる。回転電機1は、ステータ4に発生させる磁場の変化によって、ロータ3内に渦電流を発生してしまう。この渦電流がノイズとなって放出されないように、回転電機1は、ロータシャフト31をアースするアース機構7を、ロータシャフト31の端部311に備えている。

図2に示すように、アース機構7は、少なくとも、ロータシャフト31の端部311に形成された収納部71と、この収納部71を塞ぐ蓋72と、収納部71に格納されるブラシ70と、ブラシ70を保持する支持ロッド73と、ブラシ70を付勢する弾性部材74とを含む。

収納部71は、ロータシャフト31の回転中心線に沿って端面311Aから凹んで形成されている。蓋72は、回転中心線に沿って貫通孔721を有しており、収納部71を塞ぐようにロータシャフト31の端面311Aに取り付けられる。支持ロッド73は、図3に示すように蓋72の貫通孔721に通されており、ハウジング2に固定されたガイド75によって回転中心線に沿って移動可能に保持されている。ガイド75は、ロータシャフト31に伴って回転されないように、ボールスプラインなどを介して支持ロッド73と連結される。ブラシ70は、収納部71の中へ延びた支持ロッド73の端部に取り付けられている。図2に示すように、収納部71の外へ延びた支持ロッド73の端部を保持するガイド75は、ハウジング2に対してリード線76で接続されている。これにより、ブラシ70は、支持ロッド73及びガイド75を介してアースされる。

弾性部材74は、支持ロッド73を回転中心線に沿って付勢する。本実施形態では図2に示すように、弾性部材74は、収納部71の外へ延びた支持ロッド73の端部を延長するように取り付けられるとともに、その先端部がハウジング2のカバープレート22に固定されており、蓋72に押し当てる方向へブラシ70を付勢する。つまり、本実施形態において弾性部材74は、引張コイルバネである。ブラシ70の外径は、図2及び図3に示すように、蓋72に設けられた貫通孔721の内径よりも大きい。また、支持ロッド73の外径は、貫通孔721の内径よりもわずかに小さい。ブラシ70は、蓋72に面した端面が蓋72に対して接触していることで、ロータシャフト31と電気的に接続される。つまり、本実施形態の回転電機1は、回転するロータ3に対してブラシ70を常に電気的に接続させた状態であるので、ロータ3に生じるノイズを除去することができる。

以上のように構成された第1の実施形態の回転電機1のアース機構7は、ロータシャフト31の端部に形成された収納部71にブラシ70を格納しており、支持ロッド73の外径は、蓋72の貫通孔721よりもわずかに小さい、すなわち、収納部71を蓋72で塞いでいる。したがって、摩耗したブラシ70から生じた摩耗粉Pは、図4に示すように、収納部71の内部に溜る。ブラシ70の摩耗粉Pを回転電機1の内部に飛散させないので、レゾルバ5などの電子部品やベアリング34に摩耗粉Pが悪影響を及ぼすことを防止できる。

さらに、本実施形態のアース機構は、図3及び図4に示すように、蓋72から離れた位置で支持ロッド73をガイド75によって支持しており、支持ロッド73の外周面に指標Mを有している。この指標Mは、ブラシ70が予め定められた以上に摩耗した場合にガイド75に少なくとも一部が隠れる位置に設けられている。したがって、図4に示すようにブラシ70が全て摩耗してしまう前にガイド75に隠れる位置に指標Mを設けることで、回転電機1をメンテナンスする際に、指標Mの位置を確認するだけで、ブラシ70の摩耗状態を知ることができる。なお、指標Mは、ブラシ70が予め定められた以上に摩耗した場合にガイド75から露出するように設けられていてもよい。

以下に本発明に係る第2から第5の実施形態の回転電機1を説明する。第2から第5の実施形態の回転電機1において、第1の実施形態の回転電機1と異なる点は、アース機構7に関する構成である。第2から第5の実施形態の回転電機1において第1の実施形態の回転電機1と同じ機能を有する構成は、各実施形態の説明において同じ符号を付し、その詳細な説明については第1の実施形態の対応する記載を参酌することとする。

本発明に係る第2の実施形態の回転電機1のアース機構7について、図5を参照して説明する。図5に示すアース機構7は、弾性部材74の取り付け方が第1の実施形態の場合と異なっている。第2の実施形態における弾性部材74は、ロータシャフト31の端部311の半径よりも大きい圧縮コイルバネであって、支持ロッド73の端部から延びたピン731とレゾルバ5を覆うハウジング2のカバー23との間に配置される。ピン731は、回転中心線に沿う方向にガイド75に設けられたスロット751を通して延びている。

以上のように構成された第2の実施形態の回転電機1によれば、ロータシャフト31をアースするブラシ70がロータシャフト31の端部311に設けられた収納部71に格納され蓋72で覆われるので、ブラシ70が摩耗しても摩耗粉Pが回転電機1の内部に飛散させない。さらに、弾性部材74が、ピン731とカバー23との間に配置されるので、回転中心線に沿う方向に、回転電機1の寸法を小さくすることができる。

本発明に係る第3の実施形態の回転電機1のアース機構7について、図6及び図7を参照して説明する。図6に示すアース機構7は、回転中心軸に沿って収納部71に押し当てる方向へ弾性部材74によってブラシ70を押し当てている。弾性部材74は、収納部71の外へ延びた支持ロッド73の端部を延長するように取り付けられるとともに、その先端部がハウジング2のカバープレート22に固定されている。つまり、第1の実施形態において弾性部材74が引張コイルバネであったのに対し、第3の実施形態では弾性部材74が圧縮コイルバネである。

ブラシ70は、図7に示すように、収納部71の奥の壁に押し当てられて摩耗する。摩耗粉Pは、蓋72から離れた位置で発生する。したがって、摩耗粉Pが収納部71の外へ排出されることなく収納部71の内部に溜りやすい。

また、支持ロッド73は、ブラシ70が摩耗するにつれて、収納部71へ押し込まれることになる。したがって、支持ロッド73の外周面に設けられる指標Mは、ブラシ70が摩耗していない間は図6に示すように常に見える状態であり、予め定められた以上にブラシ70が摩耗した場合に図7に示すように蓋72の貫通孔721に少なくとも1部が隠れる位置に設けられる。

本発明に係る第4の実施形態の回転電機1のアース機構7について、図8及び図9を参照して説明する。図8に示すアース機構7は、蓋72を中蓋722と外蓋723との二重構造に設けている。中蓋722は、ロータシャフト31の端部311よりも収納部71側に入り込んだ位置に固定される。外蓋723は、ロータシャフト31の端部311に取り付けられている。ブラシ70は、中蓋722よりも奥に配置され、弾性部材74によって中蓋722に押し当てる方向に付勢される。弾性部材74は、第1の実施形態のように設けられていてもよいし第2の実施形態のように設けられていてもよい。指標Mは、支持ロッド73の外周面に設けられており、ブラシ70が摩耗していない間は図8に示すように収納部71の中に隠れており、予め定めた以上にブラシ70が摩耗した場合に図9に示すように外蓋723の貫通孔721から少なくとも一部が覗くようになる。

また、中蓋722と外蓋723の間の支持ロッド73には、支持ロッド73の外周面に付着した摩耗粉Pをこそぎ落とすためのリムーバ732が装着されている。このリムーバ732は、支持ロッド73が外蓋723よりも外側に引き出される際に、摩耗粉Pを堰き止めることができればよい。したがって、リムーバ732は、図8及び図9に示すように支持ロッド73と外蓋723の貫通孔721との隙間よりも十分に線径大きいOリングであってもよいし、中蓋722に向かって斜めに延びたスクレーパを支持ロッド73の外周面に密着させたガスケットであってもよい。

以上のように設けられた第4の実施形態の回転電機1によれば、ロータシャフト31をアースするためのブラシ70が収納部71内に格納されて、中蓋722と外蓋723の二重構造に覆われる。ブラシ70は中蓋722よりも奥に配置されているので、ブラシ70が摩耗して中蓋722よりも外側に引き出される場合に摩耗粉Pを伴って出てくることがあっても、中蓋722と外蓋723との間の収納部71にトラップされる。また、リムーバ732を有していることによって、さらに確実に摩耗粉Pを収納部71に捕え、回転電機1の内部に飛散させない。

本発明に係る第5の実施形態の回転電機1のアース機構7について、図10及び図11を参照して説明する。図10に示すアース機構7は、収納部71を端部311に有したロータシャフト31と、回転中心線に沿って第1の貫通孔771を有し回転中心線に直交して収納部の内部に固定される仕切板77と、回転中心線に沿って第2の貫通孔721を有しロータシャフト31の端部311に取り付けられて収納部71を塞ぐ蓋72と、第1の貫通孔771及び第2の貫通孔721に通され回転中心線に沿って移動可能な支持ロッド73と、仕切板77を越えた支持ロッド73の先端に取り付けられて支持ロッド73を介してアースされる第1のブラシ701と、仕切板77と蓋72との間の支持ロッド73に取り付けられ支持ロッド73を介してアースされる第2のブラシ702と、を備える。そして、このアース機構7は、弾性部材74を備えておらず、加速度の変化によってロータシャフト31の回転中心線に沿って変位する。

回転電機1が加速度の変化を受ける状況として、電動車両の駆動モータとして回転電機1が搭載される場合が想定される。回転中心線を電動車両の進行方向に沿って配置した場合、電動車両が加速または減速する際に、その加速度の変化に伴って、支持ロッド73及び第1のブラシ701と第2のブラシ702が変位する。また、電動車両の進行方向を横切る方向にロータシャフト31の回転中心線を配置している場合は、電動車両の進行方向に揺動する慣性体と、慣性体と支持ロッド73の間に連結されて進行方向に変位する慣性体の動きを車幅方向の変位に変換するアームとを設ければよい。電動車両が加速する際に、第1のブラシ701が図11に示すように仕切板77に押し当てられるとすると、電動車両が減速する際に第2のブラシ702が仕切板77に押し当てられる。

指標Mは、第1のブラシ701及び第2のブラシ702が摩耗していない間は、図10及び図11に示すように、蓋72とガイド75の間に見えている。そして、予め定められた以上に第1のブラシ701が摩耗した場合、指標Mの少なくとも一部がガイドに隠れ、予め定められた以上に第2のブラシ702が摩耗した場合、指標Mの少なくとも一部が蓋72の貫通孔721に隠れる。

以上のように構成された第5の実施形態の回転電機1によれば、加速度の変化によって、第1のブラシ701又は第2のブラシ702が仕切板77に当接し、ロータシャフト31がアースされる。加速度の変化がない間は、第1のブラシ701又は第2のブラシ702が仕切板77に接触した状態に保持される。他の実施形態のように弾性部材で付勢しないので、摩耗を軽減することができる。また、電動車両が加速する際に回転電機1に供給される電流量及び電動車両が減速する際に回転電機1で回生制御することによって生じる電流量がそれぞれ増大するときにノイズが増えることが分かっているので、加速及び減速する際に第1のブラシ701又は第2のブラシ702が接触することで、増大するノイズを確実に除去することができる。

以上、本発明に係る回転電機について、いくつかの実施形態を説明した。これらの実施形態は、発明を分かりやすくするために一例を示したに過ぎない。したがって、これらの実施形態に発明を限定することを意図したものではない。本発明は、他の様々な形で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更をすることが可能である。上述の各実施形態及びその変形例は、発明の範囲に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明に対しそれらの均等の範囲を含むものである。

1…回転電機、31…ロータシャフト、311…端部、70…ブラシ、701…第1のブラシ、702…第2のブラシ、71…収納部、72…蓋、721…貫通孔(第2の貫通孔)、722…中蓋、723…外蓋、73…支持ロッド、74…弾性部材、75…ガイド、77…仕切板、771…第1の貫通孔、P…摩耗粉、M…指標