換向器電動機、電動鼓風機、吸塵器的製作方法

2024-03-11 01:57:15

本發明涉及一種搭載於家庭用吸塵器的電動鼓風機、在電器領域使用的換向器電動機以及吸塵器。

背景技術：

使用於家庭用吸塵器等的換向器電動機的轉速為約4萬rpm(revolutionsperminute：每分鐘轉數)～約5萬rpm。在電動機領域，使用於家庭用吸塵器的換向器電動機是最要求高速旋轉驅動的換向器電動機之一。以往以來經常提出與高速旋轉驅動有關的換向器電動機中的換向器的問題。

問題中的代表性問題是換向器的換向片因高速旋轉所帶來的離心力而剝離。

日本專利特公平5-38544號公報所記載的技術與能夠耐高速旋轉的換向器的構造有關。日本專利特公平5-38544號公報所記載的換向器從1990年起到現在大量生產，性能和可靠性適當，得到了高評價，產業上的價值大。

但是，日本專利特公平5-38544號公報所記載的換向器在換向器的各換向片之間埋設圓筒狀的陶瓷材料的圓柱體，通過各圓柱體的圓筒面的相互作用來產生反拱作用。由此，產生抗離心力的效果。但是，換向器的構造複雜。

圖6a是說明日本專利特公平5-38544號公報的換向器的旋轉軸方向的半剖視圖。在換向器45中，利用樹脂成型體50來固定保持換向片45a。在電樞繞組中，其卷繞開始部分和其卷繞結束部分為跳線。跳線的中途部分與繞線緊固部(鉤部)45b電連接，構成連接點48。π字狀外形的換向片的埋設部49具有抑制換向片的脫離的構造，能夠抗換向器電動機的高速旋轉。即使樹脂成型體50由於換向器與對該換向器通電的電刷之間產生的火花熱而劣化，換向片的剝離也會被抑制，埋設部49是換向器電動機的高速旋轉化和長壽化的對策。

圖6b是說明日本專利特公平5-38544號公報的換向器的、與旋轉軸方向垂直的面的剖視圖。以被相鄰的換向片45a夾在中間的方式配置陶瓷材料的圓柱體53。通過該陶瓷材料的圓柱體53的圓筒面的相互作用來產生反拱作用，進一步提高抗離心力的效果。但是，換向器45的構造複雜，尋求其構造的簡便化和合理化。

另一方面，作為構造簡便的換向器，日本專利特開平8-308182號公報等所記載的換向器廣為人知。日本專利特開平8-308182號公報等所記載的換向器為以下構造：在各換向片的內面形成用於提高與模製材料之間的結合保持力的、通過滾花加工得到的粗糙面，抑制換向片的剝離。換向器的特徵在於構造簡便。但是，就離心力而言，日本專利特開平8-308182號公報所記載的換向器是簡便的構造。因此，如日本專利特開平8-308182號公報等所記載的堅固構造的換向器並不適於轉速達到約4萬rpm～約5萬rpm的家庭用吸塵器等的高速旋轉動作。

技術實現要素：

例如，在日本專利特公平5-38544號公報所記載的換向器中，去除陶瓷材料的圓柱體，由此能夠得到簡便的構造。但是，由於去除陶瓷材料的圓柱體，通過陶瓷材料的圓柱體的配置得到的基於反拱作用的抗離心力受損。因此，需要某種新的抗離心力構造。

作為新的抗離心力構造，容易想到日本專利特開平8-308182號公報等所記載的以下結構：在換向片的表面設置通過滾花加工得到的被稱為斜紋的滾花來使換向片的表面粗糙化，由此提高與換向器的結構材料的樹脂部之間的密合度。但是，被稱為斜紋的滾花的凸凹形狀的間距最小為約0.6mm左右，精細度是有極限的。因此，換向器的結構材料的樹脂部與換向片之間的密合度也是有極限的。因而，相對於日本專利特公平5-38544號公報所記載的換向器的結構而言，日本專利特開平8-308182號公報等所記載的通過滾花加工來使面粗糙化的結構不是能夠取其代之的抗離心力構造。

另外，日本專利特公平5-38544號公報等所記載的換向片是楔形的立體物，不是適於滾花加工的平板狀的金屬板。由此，實施滾花加工本身就成為問題。

鑑於以上問題等，本發明的目的在於得到以下的換向器電動機：通過使作為楔形等特殊形狀的構造體的換向片的表面具備新穎的卡合層，來具備新的抗離心力構造。

為了解決上述問題，本申請的發明人們反覆試驗並且進行了努力研究。其結果發現，使模製換向器的樹脂成型體與換向片的界面具備特定的卡合層是有效的，且換向片優選為特定的金屬材料。下面敘述其詳情。

本發明的換向器電動機包括：勵磁部，其具備勵磁芯以及將絕緣電線卷繞於勵磁芯而成的勵磁繞組；換向器，其包括具有結構化表面的換向片(commutatorsegmentwithstructuredsurface)、包含樹脂的卡合層以及樹脂成型體；旋轉軸，其貫通換向器的中心；電樞，其包括電樞芯和電樞繞組，旋轉軸貫通該電樞芯的中心，該電樞芯具備槽，該電樞繞組是將絕緣電線卷繞於槽而成的；跳線群，其包括作為各電樞卷繞體的卷繞開始部分的布線的卷繞開始側跳線以及作為各電樞卷繞體的卷繞結束部分的布線的卷繞結束側跳線，跳線群與換向器的換向片電連接，該換向片在旋轉軸的軸心方向上且位於沿著旋轉軸的軸心方向從電樞芯延伸的位置；以及電刷，其與換向器接觸滑動。

根據本發明，利用利用蝕刻劑(蝕刻液)在換向片形成的結構化表面來大幅增加換向片的等效表面積，經由結構化表面與換向器的樹脂成型體的樹脂構成的卡合層，能夠實現換向片與換向器的樹脂成型體之間的粘接強度的增加。因而，能夠兼顧高速旋轉和耐久性。

附圖說明

圖1是表示具備本發明的實施方式1中的換向器電動機的電動鼓風機的局部剖視圖。

圖2是圖1中的2-2所示的截面的截面圖。

圖3是表示本發明的實施方式1中的換向器電動機的主要部分的側視圖。

圖4是本發明的實施方式1中的換向器電動機的換向器的說明圖。

圖5是表示本發明的實施方式1中的換向器電動機的換向片和卡合層的圖。

圖6a是說明日本專利特公平5-38544號公報的換向器的旋轉軸方向的半截面圖。

圖6b是說明日本專利特公平5-38544號公報的換向器的與旋轉軸方向垂直的面的截面圖。

具體實施方式

下面，參照附圖來說明本發明的實施方式。在本實施方式中，作為一例，列舉吸塵器所具備的本換向器電動機來進行說明。此外，本發明不限定於下面的實施方式。

(實施方式1)

圖1是表示具備本發明的實施方式1中的換向器電動機11的電動鼓風機10的局部截面圖。

電動鼓風機10為在一方開口的實質上呈杯狀的端蓋12內設置本實施方式的換向器電動機11的結構。如圖1所示，換向器電動機11包括作為勵磁的定子30、作為電樞的轉子40以及電刷部20。

定子30具有在由電磁鋼板的層疊體等構成的勵磁芯31上卷繞絕緣電線等的勵磁繞組32。勵磁芯31例如是層疊多塊規定形狀的電磁鋼板而形成的。勵磁芯31在其內側具有作為磁極的磁極部31a。勵磁芯31具有用於配置轉子40的空間部。定子30固定於端蓋12的內側。

轉子40包括電樞芯41、將絕緣電線卷繞於電樞芯41所具備的槽而成的電樞繞組42、旋轉軸43以及換向器45。如上所述，電樞芯41上卷繞有電樞繞組42。從電樞芯41引出的電樞繞組42的一部分與換向器45連接。電樞芯41和換向器45呈圓筒狀，以貫通電樞芯41和換向器45的中心的方式耦合有旋轉軸43。旋轉軸43的兩端分別旋轉自如地被軸承13所支承。這樣構成的轉子40以電樞芯41與形成於勵磁芯31的磁極部31a面對的狀態配置於定子30的內周側。

在端蓋12固定有電刷部20所包括的電刷保持器25。電刷部20包括電刷保持器25、電刷21以及電刷彈簧27。電刷21由包含固體潤滑劑的人造石墨等碳刷材料構成。電刷21被保持於電刷保持器25內，並且被電刷彈簧27按向換向器45。換向器電動機11具有一對電刷部20，一對電刷21分別與換向器45抵接。如以上那樣構成換向器電動機11。

在電動鼓風機10中，以覆蓋端蓋12的開口一側的方式安裝有風扇殼15。轉子40的旋轉軸43從端蓋12的開口向風扇殼15內延伸。在旋轉軸43的頂端部安裝有離心風扇16。在離心風扇16與端蓋12的開口之間安裝有導氣件17。這樣，在風扇殼15內配置有離心風扇16和導氣件17。

在如以上那樣構成的電動鼓風機10中，當從外部向換向器電動機11供給電力時，電樞電流經由電刷21和換向器45流向電樞繞組42。同時，勵磁電流流到定子30的勵磁繞組32。在流過電樞繞組42的電樞電流與勵磁芯31中因勵磁電流而產生的磁通之間產生力，轉子40旋轉。隨著轉子40的旋轉，離心風扇16旋轉。通過轉子40的旋轉，從吸氣口18吸入空氣，空氣流入離心風扇16中，經過端蓋12內後被排出到電動鼓風機10之外。

接著，說明換向器電動機11的更詳細的結構。

圖2是表示圖1中的2-2所示的截面的截面圖。圖2示出了從旋轉軸43的延伸方向觀察到的換向器45和電刷部20的主要結構。

如圖2所示，在換向器45中，在其周圍等間隔地形成有多個換向片45a。各換向片45a由金屬形成，通過與電刷21接觸來向電樞繞組42提供電流。

在一對電刷部20中，電刷保持器25沿著與旋轉軸43正交的徑向來與換向器45相向地配置。電刷保持器25呈筒狀，在與換向器45相對的位置具有開口部29。在電刷保持器25內配置電刷21和電刷彈簧27。

電刷彈簧27由螺旋狀的彈簧構成。電刷彈簧27一端與電刷21的反接觸面抵接，另一端與電刷保持器25外周側的壁面抵接。在電刷保持器25中，將電刷彈簧27配置成將電刷21經開口部29壓向換向器45。即，利用電刷彈簧27的彈性力將電刷21的接觸面壓向換向器45。由此，電刷21與形成於換向器45的換向片45a電連接。

這樣，電刷21在電刷保持器25內利用電刷彈簧27沿徑向移動，與換向器45接觸滑動。電刷21上連接有用於向電刷21提供電流的連接線(單頭跳線：pigtail)28。連接線28穿過電刷彈簧27的螺旋狀內部，一端與電刷21的反接觸面接合，另一端熔接於電刷保持器25外周側的壁面。

圖3是表示本發明的實施方式1中的換向器電動機11的主要部分的側視圖。

如圖3所示，電樞芯41和換向器45被壓入到旋轉軸43。電樞芯41和換向器45通過過盈配合等方法來與旋轉軸43接合。電樞芯41具備作為絕緣電線的卷繞體的電樞繞組42。卷繞得到的電樞繞組42有一部分作為多個跳線42a被引出到換向器45側。在各換向片45a的電樞芯41側的端部形成有折曲形狀的繞線緊固部(鉤部)45b。跳線42a分別與繞線緊固部45b接合。由此，從電刷21經由換向片45a電連接到電樞繞組42。

跳線42a包括作為各電樞卷繞體的卷繞開始部分的布線的卷繞開始側跳線以及作為各電樞卷繞體的卷繞結束部分的布線的卷繞結束側跳線。

電樞繞組42卷繞於電樞芯41。電樞繞組42沿著旋轉軸43的軸心方向從電樞芯41突出的部分為線圈末端35。

電樞芯41具備多個齒部44，在相鄰的齒部44之間具備槽46。本實施方式中的轉子40具有12個電樞芯41，因此具有12個槽46。電樞繞組42是通過所謂的分布繞法而卷繞的。換向器45具備24個換向片45a。各換向片45a具備繞線緊固部45b。跳線42a的終端與繞線緊固部45b連接。

形成電樞繞組42的絕緣電線的卷繞開始部分和卷繞結束部分為跳線。跳線與換向器45的繞線緊固部45b接合。在線圈末端35與換向器45之間，存在將電樞繞組42與換向器45的繞線緊固部45b之間連起來的跳線的集合體。該跳線的集合體是將過密地卷繞得到的電樞繞組42進行布線。此外，之後將該跳線的集合體稱為跳線群42b。

圖4是本發明的實施方式1中的換向器電動機11的換向器45的說明圖。換向器45包括具有結構化表面的多個換向片45a以及樹脂成型體50。換向片45a的截面形狀在換向器的旋轉軸方向上包括實質的長方形或π字形的截面形狀。換向片在與換向器的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀是在與電刷接觸滑動的部分具有圓弧的扇形的截面形狀，在該扇形的相向的邊部具有凹狀部，扇形的截面形狀包含收縮部。

換向片45a具備π字形外形的換向片的埋設部49。換向片45a具備繞線緊固部45b。在電樞繞組中，其卷繞開始部分和卷繞結束部分為跳線，該跳線的中途部分與繞線緊固部45b電連接，構成連接點48。在相鄰的換向片45a之間配置有狹縫47，以使各換向片45a絕緣。

在換向片45a的表層部，通過利用1種或2種以上的蝕刻劑(蝕刻液)進行的氧化作用和還原作用的至少一方，來設置結構化表面。該結構化表面是包括突端部以及該突端部的基部的凸凹構造群。突端部位於以基部為基點的0.1μm至10μm的範圍內。而且，該結構化表面與換向器的樹脂成型體的樹脂成為一體來構成卡合層。

當然，該卡合層的大致層厚為0.1μm至10μm的範圍。利用設置於換向片45a的表層部的結構化表面，換向片45a的等效的表面積大幅增加。通過結構化表面與換向器的樹脂成型體的樹脂構成的卡合層，能夠實現換向片45a與換向器45的樹脂成型體之間的粘接強度的增加。此外，卡合層的大致層厚若為0.1μm以下則缺乏粘接強度的增加效果。卡合層的層厚優選為10μm以下，更優選為5μm以下。

圖5是表示本發明的實施方式1中的換向器電動機11的換向片45a和卡合層52的圖。結構化表面的凸凹構造群51與樹脂成型體50的樹脂相互卡合，來構成卡合層52。圖5的顯微鏡照片中示出了拍攝到樹脂成型體50並且也拍攝到作為白濁點的填料54的影像。

換向器45的樹脂成型體50的樹脂是包含填料的酚醛系樹脂。酚醛系樹脂的比重是1.69至1.95左右。去除填料後的酚醛系樹脂的比重是1.21至1.3左右。因而，在0.1μm至10μm的厚度的卡合層，僅幾乎不包含填料的酚醛樹脂在體積比中佔據約50％。因而，酚醛系樹脂的量為60.5μg/cm2至650μg/cm2左右。另外，0.1μm至5μm的厚度的卡合層中的酚醛系樹脂的量為60.5μg/cm2至325μg/cm2左右。物理上來說酚醛系樹脂中添加的填料沒有進入結構化表面的凸凹構造群51餘地，成為上述的值。

填料進入0.1μm至10μm的厚度的卡合層的情況如下。包含填料的酚醛樹脂與上述同樣地在卡合層的體積比中佔據約50％。因而，酚醛系樹脂的量為98μg/cm2至975μg/cm2左右。另外，0.1μm至5μm的厚度的卡合層中的酚醛系樹脂的量為98μg/cm2至487.5μg/cm2左右。

此外，實施方式1中的換向片45a的結構化表面和卡合層52設置於包含相對於換向器旋轉時的離心力方向而言實質上相同方向的剪切方向(sheardirection)的方向分量的、換向片45a與樹脂成型體50的界面的全部或者一部分。另外，實施方式1中的換向片45a的結構化表面和卡合層52設置於包含相對於換向器旋轉時的離心力方向而言張量方向的方向分量的、換向片45a與樹脂成型體50的界面的全部或一部分。

另外，實施方式1中的通過使用蝕刻劑(蝕刻液)的氧化作用和還原作用的至少一方而得到的結構化表面是使換向片45a浸漬於蝕刻劑(蝕刻液)而得到的。因此，能夠一次對換向片45a的整周實施處理。在滾花加工的情況下，每當增加要進行處理的部位，製造成本就增加。因此，通過使用蝕刻劑(蝕刻液)的氧化作用和還原作用的至少一方來得到結構化表面的方法能夠抑制製造工序的成本。

另一方面，在換向器電動機11的製造中，在將換向器45與旋轉軸43連接組裝之後，以優化旋轉軸43與換向器45外周之間的同心度為目的，一般會進行對換向器45的外周表面進行切削的製造工序。在本實施方式中，換向器45外周表面的切削是沿徑向從表面向25μm～50μm左右的深度實施外周切削。因此，即使利用本實施方式的蝕刻劑(蝕刻液)在整周形成0.1μm至10μm的形狀的結構化表面，與電刷21接觸的換向片45a的表面也能夠通過換向器45外周表面的切削而變得平滑。因此，不影響電刷21與換向器45的滑動。

另外，本實施方式的換向片45a優選為包含0.01重量％至1重量％左右的銀的銅合金。由此，與對一般的電解銅等高純度銅材料(含銅率為99.9％至99.99％左右)使用蝕刻劑(蝕刻液)來形成結構化表面的情況相比，能夠形成更有效方式的結構化表面。本實施方式中的換向片45a包含0.01重量％至1重量％左右的銀。由此，與對一般的電解銅等高純度銅材料(含銅率為99.9％至99.99％左右)使用蝕刻劑(蝕刻液)來形成結構化表面的情況相比，能夠形成更有效方式的結構化表面。

這是因以換向片45a所含有的銀成分和銅成分來利用蝕刻劑(蝕刻液)進行的氧化作用和還原作用的反應條件的不同所引起的。另外，通過使用含銀的銅合金作為換向片45a，與一般的電解銅等高純度銅材料(含銅率為99.9％至99.99％左右)相比，能夠提高耐熱耐久性。因而，能夠兼顧高速旋轉和耐久性。此外，現有的銅合金、電解銅等銅材料中含有雖然是微量但是多種多樣的不可避免的雜質。

另外，在本實施方式中，作為蝕刻劑(蝕刻液)，使用了含硫酸和過氧化氫的水溶液，但是也能夠使用由其它成分構成的蝕刻劑(蝕刻液)。

此外，本實施方式中的換向片45a的截面形狀在換向器45的旋轉軸方向上包括實質的長方形或π字形的截面形狀。換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀是在與電刷接觸滑動的部分具有圓弧的扇形的截面形狀，在該扇形的相向的邊部具有凹狀部，扇形的截面形狀包含收縮部。也可以用t字形的截面形狀、コ字形的截面形狀、半圓筒形的截面形狀、實質的長方形的截面形狀、梳齒狀的截面形狀或者楔形的截面形狀，來替換換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀的扇形形狀。

如以上那樣，本實施方式的換向器電動機11包括：勵磁部，其具備勵磁芯31以及將絕緣電線卷繞於勵磁芯31而成的勵磁繞組32，與定子30相當；換向器45，其包括具有結構化表面的換向片45a、包含樹脂的卡合層52以及樹脂成型體50；旋轉軸43，其貫通換向器45的中心；電樞，其包括電樞芯41和電樞繞組42，與轉子40相當，旋轉軸43貫通電樞芯41的中心，該電樞芯41具備槽46，該電樞繞組42是將絕緣電線卷繞於槽46而成的；跳線群42，其包括作為各電樞卷繞體的卷繞開始部分的布線的卷繞開始側跳線以及作為各電樞卷繞體的卷繞結束部分的布線的卷繞結束側跳線，跳線群42與換向器45的換向片45a電連接，該換向片45a在旋轉軸43的軸心方向上且位於沿著旋轉軸43的軸心方向從電樞芯41延伸的位置；以及電刷21，其與換向器45接觸滑動。

由此，本實施方式中的換向器電動機11通過具備換向器45，能夠進行與具備以往的換向器的換向器電動機等速或更高速的高速旋轉。

如果如下即可：卡合層52的層厚是0.1μm以上且10μm以下。

如果如下即可：卡合層52的層厚是0.1μm以上且10μm以下，卡合層52的樹脂的量是60.5μg/cm2以上且650μg/cm2以下。

如果如下即可：卡合層52的層厚是0.1μm以上且5μm以下。

如果如下即可：卡合層52的層厚是0.1μm以上且5μm以下，卡合層52的樹脂的量是60.5μg/cm2以上且325μg/cm2以下。

如果如下即可：換向片45a至少包含作為主成分的銅、作為副成分的銀以及不可避免的雜質，所述作為副成分的銀的含量為0.01重量％以上且1重量％以下。

也可以是，在包含相對於換向器45旋轉時的離心力方向而言實質上相同方向的剪切方向的方向分量的、換向片45a與樹脂成型體50的界面的全部或一部分，具備卡合層52。

也可以是，在包含相對於換向器45旋轉時的離心力方向而言張量方向的方向分量的、換向片45a與樹脂成型體50的界面的全部或一部分，具備卡合層52。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀包含在與電刷21接觸滑動的部分具有圓弧的扇形的截面形狀。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀是在與電刷21接觸滑動的部分具有圓弧的扇形的截面形狀，在扇形的相向的邊部具有凹狀部，扇形的截面形狀包含收縮部。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀在與電刷21接觸滑動的部分包含t字形的截面形狀。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀在與電刷21接觸滑動的部分包含コ字形的截面形狀。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀在與電刷21接觸滑動的部分包含半圓筒形的截面形狀。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀在與電刷21接觸滑動的部分包含實質的長方形的截面形狀。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀在與電刷21接觸滑動的部分包含梳齒狀的截面形狀。

也可以是，換向片45a在與換向器45的旋轉軸方向垂直的截面上的截面形狀在與電刷21接觸滑動的部分包含楔形的截面形狀。

也可以是，與換向器45的旋轉軸方向相同方向的換向片45a的截面形狀包含實質的長方形或π字形的截面形狀。

另外，在包括本實施方式中的換向器電動機11的電動鼓風機以及吸塵器中也是，通過具備換向器45，能夠進行與具備以往的換向器的電動鼓風機及吸塵器等速或更高速的高速旋轉。

如以上那樣，本發明所涉及的換向器電動機在能夠兼顧高速旋轉和長壽化的換向器電動機以及使用該換向器電動機的各種電氣設備中有用，產業上的價值大。