换向器电动机、电动鼓风机、吸尘器的制作方法

本发明涉及一种搭载于家庭用吸尘器的电动鼓风机、在电器领域使用的换向器电动机以及吸尘器。

背景技术：

使用于家庭用吸尘器等的换向器电动机的转速为约4万rpm(revolutionsperminute：每分钟转数)～约5万rpm。在电动机领域，使用于家庭用吸尘器的换向器电动机是最要求高速旋转驱动的换向器电动机之一。以往以来经常提出与高速旋转驱动有关的换向器电动机中的换向器的问题。

问题中的代表性问题是换向器的换向片因高速旋转所带来的离心力而剥离。

日本专利特公平5-38544号公报所记载的技术与能够耐高速旋转的换向器的构造有关。日本专利特公平5-38544号公报所记载的换向器从1990年起到现在大量生产，性能和可靠性适当，得到了高评价，产业上的价值大。

但是，日本专利特公平5-38544号公报所记载的换向器在换向器的各换向片之间埋设圆筒状的陶瓷材料的圆柱体，通过各圆柱体的圆筒面的相互作用来产生反拱作用。由此，产生抗离心力的效果。但是，换向器的构造复杂。

图6a是说明日本专利特公平5-38544号公报的换向器的旋转轴方向的半剖视图。在换向器45中，利用树脂成型体50来固定保持换向片45a。在电枢绕组中，其卷绕开始部分和其卷绕结束部分为跳线。跳线的中途部分与绕线紧固部(钩部)45b电连接，构成连接点48。π字状外形的换向片的埋设部49具有抑制换向片的脱离的构造，能够抗换向器电动机的高速旋转。即使树脂成型体50由于换向器与对该换向器通电的电刷之间产生的火花热而劣化，换向片的剥离也会被抑制，埋设部49是换向器电动机的高速旋转化和长寿化的对策。

图6b是说明日本专利特公平5-38544号公报的换向器的、与旋转轴方向垂直的面的剖视图。以被相邻的换向片45a夹在中间的方式配置陶瓷材料的圆柱体53。通过该陶瓷材料的圆柱体53的圆筒面的相互作用来产生反拱作用，进一步提高抗离心力的效果。但是，换向器45的构造复杂，寻求其构造的简便化和合理化。

另一方面，作为构造简便的换向器，日本专利特开平8-308182号公报等所记载的换向器广为人知。日本专利特开平8-308182号公报等所记载的换向器为以下构造：在各换向片的内面形成用于提高与模制材料之间的结合保持力的、通过滚花加工得到的粗糙面，抑制换向片的剥离。换向器的特征在于构造简便。但是，就离心力而言，日本专利特开平8-308182号公报所记载的换向器是简便的构造。因此，如日本专利特开平8-308182号公报等所记载的坚固构造的换向器并不适于转速达到约4万rpm～约5万rpm的家庭用吸尘器等的高速旋转动作。

技术实现要素：

例如，在日本专利特公平5-38544号公报所记载的换向器中，去除陶瓷材料的圆柱体，由此能够得到简便的构造。但是，由于去除陶瓷材料的圆柱体，通过陶瓷材料的圆柱体的配置得到的基于反拱作用的抗离心力受损。因此，需要某种新的抗离心力构造。

作为新的抗离心力构造，容易想到日本专利特开平8-308182号公报等所记载的以下结构：在换向片的表面设置通过滚花加工得到的被称为斜纹的滚花来使换向片的表面粗糙化，由此提高与换向器的结构材料的树脂部之间的密合度。但是，被称为斜纹的滚花的凸凹形状的间距最小为约0.6mm左右，精细度是有极限的。因此，换向器的结构材料的树脂部与换向片之间的密合度也是有极限的。因而，相对于日本专利特公平5-38544号公报所记载的换向器的结构而言，日本专利特开平8-308182号公报等所记载的通过滚花加工来使面粗糙化的结构不是能够取其代之的抗离心力构造。

另外，日本专利特公平5-38544号公报等所记载的换向片是楔形的立体物，不是适于滚花加工的平板状的金属板。由此，实施滚花加工本身就成为问题。

鉴于以上问题等，本发明的目的在于得到以下的换向器电动机：通过使作为楔形等特殊形状的构造体的换向片的表面具备新颖的卡合层，来具备新的抗离心力构造。

为了解决上述问题，本申请的发明人们反复试验并且进行了努力研究。其结果发现，使模制换向器的树脂成型体与换向片的界面具备特定的卡合层是有效的，且换向片优选为特定的金属材料。下面叙述其详情。

本发明的换向器电动机包括：励磁部，其具备励磁芯以及将绝缘电线卷绕于励磁芯而成的励磁绕组；换向器，其包括具有结构化表面的换向片(commutatorsegmentwithstructuredsurface)、包含树脂的卡合层以及树脂成型体；旋转轴，其贯通换向器的中心；电枢，其包括电枢芯和电枢绕组，旋转轴贯通该电枢芯的中心，该电枢芯具备槽，该电枢绕组是将绝缘电线卷绕于槽而成的；跳线群，其包括作为各电枢卷绕体的卷绕开始部分的布线的卷绕开始侧跳线以及作为各电枢卷绕体的卷绕结束部分的布线的卷绕结束侧跳线，跳线群与换向器的换向片电连接，该换向片在旋转轴的轴心方向上且位于沿着旋转轴的轴心方向从电枢芯延伸的位置；以及电刷，其与换向器接触滑动。

根据本发明，利用利用蚀刻剂(蚀刻液)在换向片形成的结构化表面来大幅增加换向片的等效表面积，经由结构化表面与换向器的树脂成型体的树脂构成的卡合层，能够实现换向片与换向器的树脂成型体之间的粘接强度的增加。因而，能够兼顾高速旋转和耐久性。

附图说明

图1是表示具备本发明的实施方式1中的换向器电动机的电动鼓风机的局部剖视图。

图2是图1中的2-2所示的截面的截面图。

图3是表示本发明的实施方式1中的换向器电动机的主要部分的侧视图。

图4是本发明的实施方式1中的换向器电动机的换向器的说明图。

图5是表示本发明的实施方式1中的换向器电动机的换向片和卡合层的图。

图6a是说明日本专利特公平5-38544号公报的换向器的旋转轴方向的半截面图。

图6b是说明日本专利特公平5-38544号公报的换向器的与旋转轴方向垂直的面的截面图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。在本实施方式中，作为一例，列举吸尘器所具备的本换向器电动机来进行说明。此外，本发明不限定于下面的实施方式。

(实施方式1)

图1是表示具备本发明的实施方式1中的换向器电动机11的电动鼓风机10的局部截面图。

电动鼓风机10为在一方开口的实质上呈杯状的端盖12内设置本实施方式的换向器电动机11的结构。如图1所示，换向器电动机11包括作为励磁的定子30、作为电枢的转子40以及电刷部20。

定子30具有在由电磁钢板的层叠体等构成的励磁芯31上卷绕绝缘电线等的励磁绕组32。励磁芯31例如是层叠多块规定形状的电磁钢板而形成的。励磁芯31在其内侧具有作为磁极的磁极部31a。励磁芯31具有用于配置转子40的空间部。定子30固定于端盖12的内侧。

转子40包括电枢芯41、将绝缘电线卷绕于电枢芯41所具备的槽而成的电枢绕组42、旋转轴43以及换向器45。如上所述，电枢芯41上卷绕有电枢绕组42。从电枢芯41引出的电枢绕组42的一部分与换向器45连接。电枢芯41和换向器45呈圆筒状，以贯通电枢芯41和换向器45的中心的方式耦合有旋转轴43。旋转轴43的两端分别旋转自如地被轴承13所支承。这样构成的转子40以电枢芯41与形成于励磁芯31的磁极部31a面对的状态配置于定子30的内周侧。

在端盖12固定有电刷部20所包括的电刷保持器25。电刷部20包括电刷保持器25、电刷21以及电刷弹簧27。电刷21由包含固体润滑剂的人造石墨等碳刷材料构成。电刷21被保持于电刷保持器25内，并且被电刷弹簧27按向换向器45。换向器电动机11具有一对电刷部20，一对电刷21分别与换向器45抵接。如以上那样构成换向器电动机11。

在电动鼓风机10中，以覆盖端盖12的开口一侧的方式安装有风扇壳15。转子40的旋转轴43从端盖12的开口向风扇壳15内延伸。在旋转轴43的顶端部安装有离心风扇16。在离心风扇16与端盖12的开口之间安装有导气件17。这样，在风扇壳15内配置有离心风扇16和导气件17。

在如以上那样构成的电动鼓风机10中，当从外部向换向器电动机11供给电力时，电枢电流经由电刷21和换向器45流向电枢绕组42。同时，励磁电流流到定子30的励磁绕组32。在流过电枢绕组42的电枢电流与励磁芯31中因励磁电流而产生的磁通之间产生力，转子40旋转。随着转子40的旋转，离心风扇16旋转。通过转子40的旋转，从吸气口18吸入空气，空气流入离心风扇16中，经过端盖12内后被排出到电动鼓风机10之外。

接着，说明换向器电动机11的更详细的结构。

图2是表示图1中的2-2所示的截面的截面图。图2示出了从旋转轴43的延伸方向观察到的换向器45和电刷部20的主要结构。

如图2所示，在换向器45中，在其周围等间隔地形成有多个换向片45a。各换向片45a由金属形成，通过与电刷21接触来向电枢绕组42提供电流。

在一对电刷部20中，电刷保持器25沿着与旋转轴43正交的径向来与换向器45相向地配置。电刷保持器25呈筒状，在与换向器45相对的位置具有开口部29。在电刷保持器25内配置电刷21和电刷弹簧27。

电刷弹簧27由螺旋状的弹簧构成。电刷弹簧27一端与电刷21的反接触面抵接，另一端与电刷保持器25外周侧的壁面抵接。在电刷保持器25中，将电刷弹簧27配置成将电刷21经开口部29压向换向器45。即，利用电刷弹簧27的弹性力将电刷21的接触面压向换向器45。由此，电刷21与形成于换向器45的换向片45a电连接。

这样，电刷21在电刷保持器25内利用电刷弹簧27沿径向移动，与换向器45接触滑动。电刷21上连接有用于向电刷21提供电流的连接线(单头跳线：pigtail)28。连接线28穿过电刷弹簧27的螺旋状内部，一端与电刷21的反接触面接合，另一端熔接于电刷保持器25外周侧的壁面。

图3是表示本发明的实施方式1中的换向器电动机11的主要部分的侧视图。

如图3所示，电枢芯41和换向器45被压入到旋转轴43。电枢芯41和换向器45通过过盈配合等方法来与旋转轴43接合。电枢芯41具备作为绝缘电线的卷绕体的电枢绕组42。卷绕得到的电枢绕组42有一部分作为多个跳线42a被引出到换向器45侧。在各换向片45a的电枢芯41侧的端部形成有折曲形状的绕线紧固部(钩部)45b。跳线42a分别与绕线紧固部45b接合。由此，从电刷21经由换向片45a电连接到电枢绕组42。

跳线42a包括作为各电枢卷绕体的卷绕开始部分的布线的卷绕开始侧跳线以及作为各电枢卷绕体的卷绕结束部分的布线的卷绕结束侧跳线。

电枢绕组42卷绕于电枢芯41。电枢绕组42沿着旋转轴43的轴心方向从电枢芯41突出的部分为线圈末端35。

电枢芯41具备多个齿部44，在相邻的齿部44之间具备槽46。本实施方式中的转子40具有12个电枢芯41，因此具有12个槽46。电枢绕组42是通过所谓的分布绕法而卷绕的。换向器45具备24个换向片45a。各换向片45a具备绕线紧固部45b。跳线42a的终端与绕线紧固部45b连接。

形成电枢绕组42的绝缘电线的卷绕开始部分和卷绕结束部分为跳线。跳线与换向器45的绕线紧固部45b接合。在线圈末端35与换向器45之间，存在将电枢绕组42与换向器45的绕线紧固部45b之间连起来的跳线的集合体。该跳线的集合体是将过密地卷绕得到的电枢绕组42进行布线。此外，之后将该跳线的集合体称为跳线群42b。

图4是本发明的实施方式1中的换向器电动机11的换向器45的说明图。换向器45包括具有结构化表面的多个换向片45a以及树脂成型体50。换向片45a的截面形状在换向器的旋转轴方向上包括实质的长方形或π字形的截面形状。换向片在与换向器的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状是在与电刷接触滑动的部分具有圆弧的扇形的截面形状，在该扇形的相向的边部具有凹状部，扇形的截面形状包含收缩部。

换向片45a具备π字形外形的换向片的埋设部49。换向片45a具备绕线紧固部45b。在电枢绕组中，其卷绕开始部分和卷绕结束部分为跳线，该跳线的中途部分与绕线紧固部45b电连接，构成连接点48。在相邻的换向片45a之间配置有狭缝47，以使各换向片45a绝缘。

在换向片45a的表层部，通过利用1种或2种以上的蚀刻剂(蚀刻液)进行的氧化作用和还原作用的至少一方，来设置结构化表面。该结构化表面是包括突端部以及该突端部的基部的凸凹构造群。突端部位于以基部为基点的0.1μm至10μm的范围内。而且，该结构化表面与换向器的树脂成型体的树脂成为一体来构成卡合层。

当然，该卡合层的大致层厚为0.1μm至10μm的范围。利用设置于换向片45a的表层部的结构化表面，换向片45a的等效的表面积大幅增加。通过结构化表面与换向器的树脂成型体的树脂构成的卡合层，能够实现换向片45a与换向器45的树脂成型体之间的粘接强度的增加。此外，卡合层的大致层厚若为0.1μm以下则缺乏粘接强度的增加效果。卡合层的层厚优选为10μm以下，更优选为5μm以下。

图5是表示本发明的实施方式1中的换向器电动机11的换向片45a和卡合层52的图。结构化表面的凸凹构造群51与树脂成型体50的树脂相互卡合，来构成卡合层52。图5的显微镜照片中示出了拍摄到树脂成型体50并且也拍摄到作为白浊点的填料54的影像。

换向器45的树脂成型体50的树脂是包含填料的酚醛系树脂。酚醛系树脂的比重是1.69至1.95左右。去除填料后的酚醛系树脂的比重是1.21至1.3左右。因而，在0.1μm至10μm的厚度的卡合层，仅几乎不包含填料的酚醛树脂在体积比中占据约50％。因而，酚醛系树脂的量为60.5μg/cm²至650μg/cm²左右。另外，0.1μm至5μm的厚度的卡合层中的酚醛系树脂的量为60.5μg/cm²至325μg/cm²左右。物理上来说酚醛系树脂中添加的填料没有进入结构化表面的凸凹构造群51余地，成为上述的值。

填料进入0.1μm至10μm的厚度的卡合层的情况如下。包含填料的酚醛树脂与上述同样地在卡合层的体积比中占据约50％。因而，酚醛系树脂的量为98μg/cm²至975μg/cm²左右。另外，0.1μm至5μm的厚度的卡合层中的酚醛系树脂的量为98μg/cm²至487.5μg/cm²左右。

此外，实施方式1中的换向片45a的结构化表面和卡合层52设置于包含相对于换向器旋转时的离心力方向而言实质上相同方向的剪切方向(sheardirection)的方向分量的、换向片45a与树脂成型体50的界面的全部或者一部分。另外，实施方式1中的换向片45a的结构化表面和卡合层52设置于包含相对于换向器旋转时的离心力方向而言张量方向的方向分量的、换向片45a与树脂成型体50的界面的全部或一部分。

另外，实施方式1中的通过使用蚀刻剂(蚀刻液)的氧化作用和还原作用的至少一方而得到的结构化表面是使换向片45a浸渍于蚀刻剂(蚀刻液)而得到的。因此，能够一次对换向片45a的整周实施处理。在滚花加工的情况下，每当增加要进行处理的部位，制造成本就增加。因此，通过使用蚀刻剂(蚀刻液)的氧化作用和还原作用的至少一方来得到结构化表面的方法能够抑制制造工序的成本。

另一方面，在换向器电动机11的制造中，在将换向器45与旋转轴43连接组装之后，以优化旋转轴43与换向器45外周之间的同心度为目的，一般会进行对换向器45的外周表面进行切削的制造工序。在本实施方式中，换向器45外周表面的切削是沿径向从表面向25μm～50μm左右的深度实施外周切削。因此，即使利用本实施方式的蚀刻剂(蚀刻液)在整周形成0.1μm至10μm的形状的结构化表面，与电刷21接触的换向片45a的表面也能够通过换向器45外周表面的切削而变得平滑。因此，不影响电刷21与换向器45的滑动。

另外，本实施方式的换向片45a优选为包含0.01重量％至1重量％左右的银的铜合金。由此，与对一般的电解铜等高纯度铜材料(含铜率为99.9％至99.99％左右)使用蚀刻剂(蚀刻液)来形成结构化表面的情况相比，能够形成更有效方式的结构化表面。本实施方式中的换向片45a包含0.01重量％至1重量％左右的银。由此，与对一般的电解铜等高纯度铜材料(含铜率为99.9％至99.99％左右)使用蚀刻剂(蚀刻液)来形成结构化表面的情况相比，能够形成更有效方式的结构化表面。

这是因以换向片45a所含有的银成分和铜成分来利用蚀刻剂(蚀刻液)进行的氧化作用和还原作用的反应条件的不同所引起的。另外，通过使用含银的铜合金作为换向片45a，与一般的电解铜等高纯度铜材料(含铜率为99.9％至99.99％左右)相比，能够提高耐热耐久性。因而，能够兼顾高速旋转和耐久性。此外，现有的铜合金、电解铜等铜材料中含有虽然是微量但是多种多样的不可避免的杂质。

另外，在本实施方式中，作为蚀刻剂(蚀刻液)，使用了含硫酸和过氧化氢的水溶液，但是也能够使用由其它成分构成的蚀刻剂(蚀刻液)。

此外，本实施方式中的换向片45a的截面形状在换向器45的旋转轴方向上包括实质的长方形或π字形的截面形状。换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状是在与电刷接触滑动的部分具有圆弧的扇形的截面形状，在该扇形的相向的边部具有凹状部，扇形的截面形状包含收缩部。也可以用t字形的截面形状、コ字形的截面形状、半圆筒形的截面形状、实质的长方形的截面形状、梳齿状的截面形状或者楔形的截面形状，来替换换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状的扇形形状。

如以上那样，本实施方式的换向器电动机11包括：励磁部，其具备励磁芯31以及将绝缘电线卷绕于励磁芯31而成的励磁绕组32，与定子30相当；换向器45，其包括具有结构化表面的换向片45a、包含树脂的卡合层52以及树脂成型体50；旋转轴43，其贯通换向器45的中心；电枢，其包括电枢芯41和电枢绕组42，与转子40相当，旋转轴43贯通电枢芯41的中心，该电枢芯41具备槽46，该电枢绕组42是将绝缘电线卷绕于槽46而成的；跳线群42，其包括作为各电枢卷绕体的卷绕开始部分的布线的卷绕开始侧跳线以及作为各电枢卷绕体的卷绕结束部分的布线的卷绕结束侧跳线，跳线群42与换向器45的换向片45a电连接，该换向片45a在旋转轴43的轴心方向上且位于沿着旋转轴43的轴心方向从电枢芯41延伸的位置；以及电刷21，其与换向器45接触滑动。

由此，本实施方式中的换向器电动机11通过具备换向器45，能够进行与具备以往的换向器的换向器电动机等速或更高速的高速旋转。

如果如下即可：卡合层52的层厚是0.1μm以上且10μm以下。

如果如下即可：卡合层52的层厚是0.1μm以上且10μm以下，卡合层52的树脂的量是60.5μg/cm²以上且650μg/cm²以下。

如果如下即可：卡合层52的层厚是0.1μm以上且5μm以下。

如果如下即可：卡合层52的层厚是0.1μm以上且5μm以下，卡合层52的树脂的量是60.5μg/cm²以上且325μg/cm²以下。

如果如下即可：换向片45a至少包含作为主成分的铜、作为副成分的银以及不可避免的杂质，所述作为副成分的银的含量为0.01重量％以上且1重量％以下。

也可以是，在包含相对于换向器45旋转时的离心力方向而言实质上相同方向的剪切方向的方向分量的、换向片45a与树脂成型体50的界面的全部或一部分，具备卡合层52。

也可以是，在包含相对于换向器45旋转时的离心力方向而言张量方向的方向分量的、换向片45a与树脂成型体50的界面的全部或一部分，具备卡合层52。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状包含在与电刷21接触滑动的部分具有圆弧的扇形的截面形状。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状是在与电刷21接触滑动的部分具有圆弧的扇形的截面形状，在扇形的相向的边部具有凹状部，扇形的截面形状包含收缩部。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状在与电刷21接触滑动的部分包含t字形的截面形状。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状在与电刷21接触滑动的部分包含コ字形的截面形状。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状在与电刷21接触滑动的部分包含半圆筒形的截面形状。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状在与电刷21接触滑动的部分包含实质的长方形的截面形状。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状在与电刷21接触滑动的部分包含梳齿状的截面形状。

也可以是，换向片45a在与换向器45的旋转轴方向垂直的截面上的截面形状在与电刷21接触滑动的部分包含楔形的截面形状。

也可以是，与换向器45的旋转轴方向相同方向的换向片45a的截面形状包含实质的长方形或π字形的截面形状。

另外，在包括本实施方式中的换向器电动机11的电动鼓风机以及吸尘器中也是，通过具备换向器45，能够进行与具备以往的换向器的电动鼓风机及吸尘器等速或更高速的高速旋转。

如以上那样，本发明所涉及的换向器电动机在能够兼顾高速旋转和长寿化的换向器电动机以及使用该换向器电动机的各种电气设备中有用，产业上的价值大。