JP2006054984A - 電動送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体スイッチで制御される電動送風機における回転子の耐遠心力強度を高め、また冷却効果を高めて小型高効率の超高速電動送風機を得る。更にまた、制御回路部のスペースの縮小及びコスト低減を図ると共に、起動特性を改善する。
【解決手段】 回転子は、スリップリングと給電・受電ブラシを介して多スロットの鉄心に重ね巻き巻線を施した回転子巻線にＤＣ電流を流し、バランス良好で耐遠心力に優れた回転体となし、固定子は、十分な冷却風路を持つ磁極集中巻線式の１〜３相巻線により磁極を生成する如くして、位置検出手段による位置信号によって各相の半導体スイッチを開閉制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型軽量を可能にした超高速回転の電動送風機に関する。

従来は、超高速回転の電動送風機としてユニバーサルモータが主に用いられてきているが、このモータではブラシ寿命が短く、特に５万ｒｐｍ回転を超える高速化や、２００Ｖ系の高電圧駆動時や、２ｋｗに近い大容量機とする際に、急激なブラシ磨耗を起こしてしまい、使用困難となっている。そのため、最近では、半導体制御による同期モータ、特に３相ブラシレスＤＣモータが用いられるようになってきている。このモータは長寿命ではあるが、回転子には永久磁石が用いられているために、遠心力による破損の恐れがあり、高速化の限界となっている。
特許２８２３８１７の永久磁石埋め込みモータには、電機子鉄心に磁石を埋め込む構造が開示されているなど、回転子の強度を強化したタイプのモータも現れてきているが、その強度は依然不十分である。また従来、回転位置の検出にはホールＩＣが用いられ、その駆動制御回路に専用分配ＩＣを利用した３相インバータ回路が多く用いられてきている。更にまた、固定子鉄心は内周に多数のスロットを形成して分布巻線とされ、回転子と固定子間のギャップに冷却風が通過しにくい構造となっていて、温度上昇による効率低下の一因となっている。また、駆動制御回路には整流電圧の平滑用コンデンサが必要で、そのため余計に大きなスペースが必要となり、また高コストとなっている。

このような同期モータを高速回転で使用した半導体制御モータにあって、さらに高速回転化の設計を進めると、回転子が永久磁石を有する構造のため、耐遠心力強度が不足してしまう問題点があった。また、ブラシレスＤＣモータの駆動制御回路は複雑であるため、収納スペースが大きくなり小型軽量化に反し、また高価であるという問題があった。更に、固定子と回転子間のギャップには冷却風を流すための十分な風路が殆どなく、モータ効率及び送風効率を低下させる問題があった。更に又、パワースイッチング素子の数を低減した場合には、起動トルクが低下し、短時間で起動できなくなるという欠点や起動不良を起す問題があった。又、自動車用の過給器ではエンジンの背圧を用いているため、起動時の効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記した半導体制御モータの持つロータ強度や冷却効果、起動時の欠点を解決するためになされたもので、その課題とする所は、回転子はスリップリングと給電・受電ブラシを介して回転子巻線にＤＣ電流を流し、高速回転による遠心力によって回転子が破壊されることのない構造とすると同時に、回転子鉄心を等ピッチ等形状の多スロット構造として、これに重ね巻き巻線を施し、良好な回転子バランスを得ることができるようにすること、更に又、耐遠心力強度を向上させ、より高速、大容量化の要求に答えられるようにしようとするものである。

このため請求項１記載の発明は、給電ブラシによりスリップリングを介して励磁電流が供給される多スロット型回転子巻線を有する回転子と、該回転子の磁極位置検出手段と、磁極集中巻線式の固定子巻線を有する固定子と、該固定子を保持して主風路となる筐体と、前記回転子の回転軸に取り付けられた遠心ファンを有する電動送風機において、前記回転子の磁極位置検出信号により、回転子巻線または固定子巻線の通電電流を半導体スイッチを断続させ制御する如くしたことにある。

請求項２記載の発明は、前記回転子は、複数のスロットを有する回転子鉄心に、重ね巻方式により巻装された巻線を励磁して磁極を形成してなる請求項１記載の電動送風機としたことにある。

請求項３記載の発明は、前記固定子を一方の磁極端部と回転子表面との距離が他の磁極端部と回転子間距離より小さくなし、２極の固定子磁極と１相の固定子巻線を有するようにした請求項１または２記載の電動送風機において、所定時間、回転子巻線のみを励磁した後、前記固定子巻線を制御する如くしたことにある。

請求項４記載の発明は、前記固定子を４極の磁極構造として、隣接する磁極が同極となる如く、２対の固定子巻線を設けてなる請求項１または２記載の電動送風機としたことにある。

請求項５記載の発明は、前記固定子に３相の固定子巻線を施し、３個の半導体スイッチで制御する如くしたことを特徴とする請求項１または２記載の電動送風機としたことにある。

請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５記載の電動送風機を自動車用過給器として用いるようにしたことにある。

請求項１記載の電動送風機の発明は、スリップリングを介して励磁電流を供給する回転子巻線構造としているので、耐遠心力性の高い、強固な回転体が得られ、アンバランス修正が容易となり、より高速の電動送風機とすることが出来る効果がある。また、固定子は通風冷却効果が良好な構造としているので、巻線の導体径を細くでき銅重量が減少すると共に、効率を高めるという効果が得られる。更に又、回転子の磁極位置検出手段を設け、該磁極位置検出手段の出力信号により、固定子巻線または回転子巻線への通電電流を半導体スイッチにより制御するので、ユニバーサルモータのようなブラシ磨耗は発生せず、安価な手段で、モータ容積を増大させることなく収納でき、長寿命の電動送風機とする効果がある。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動送風機において、回転子鉄心が等ピッチの多スロットを持ち、巻線が重ね巻方式により巻装されて磁極を形成しているので、非常にバランスの良い回転体となり、アンバランス修正量が小さくできる効果がある。更に、巻線自身の張力は耐遠心力を大とする効果がある。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の電動送風機において、回転子巻線のみを励磁した場合の停止位置と、固定子巻線を励磁した場合の磁気吸引力の中心位置が異なる構造としたので、前記半導体スイッチの数を最少数とすることができ、最も安価な電動送風機とする効果がある。

請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の電動送風機において、起動時に移動磁界を作ることができるので、起動時での摩擦負荷が増加したような場合にも、短時間で確実に定常回転速度に立ち上げることができるという効果が得られる。

請求項５記載の発明は、請求項１または２記載の電動送風機において、３相の固定子巻線を３個の半導体スイッチで制御するので、起動時に回転磁界を作ることができ、制御回路が小型、安価で、最も確実に、短時間で定常回転速度に立ち上げることができるという効果が得られる。

請求項６記載の発明は、前記請求項１乃至５の電動送風機を自動車用過給器に用いるようにしたので、エンジンの起動時の効率を高め、自動車の加速特性を向上させる効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は片側半分を縦方向に断面した本発明の電動送風機である。図２は本発明の回転子の側面図である。図３は回転子巻線の一例を示す巻線展開図である。また、図４は本発明の回転子及び固定子磁極構造の説明図である。図１において、固定子２は円筒ケーシング６ａの内部に収納固定されている。前記固定子２の内部には回転子３が収納され、回転軸９の両端がケーシング６ａ，６ｂの中央部に取り付けられた軸受８ａ，８ｂに回転自在に軸支されている。前記回転軸９の先端部には遠心ファン７が取付けられ、矢印に示すＡ点からＢ点に到る風路が形成されている。前記回転子３には正負の電極リング３２ａ，３２ｂを有するスリップリング３２が設けられている。また、正極ブラシホルダ１０と負極ブラシホルダ１１によって、正極ブラシ３３がスリップリング３２ａに、又正極ブラシ３４がスリップリング３２ｂに当接されている。

前記回転子３は図２に示す如く、多数のスロットを有する鉄心１２と巻線５とスリップリング３２（正極スリップリング３２ａ，負極スリップリング３２ｂ）を有し、主軸９に固定されている。前記正電極スリップリング３２ａからは正極タング３７が、また前記負電極スリップリング３２ｂからは負極タング３８が引き出され、図３の巻線展開図に示す如く、重ね巻の回転子巻線５が巻装されている。図３ではコイル位置のみを示したが、磁極中央部のコイル数を少なくすることもでき、これによりさらに大きな冷却通路が確保でき、発熱損失を少なく抑えることができる。尚、図３（ａ）ではＮ，Ｓの各磁極幅が２スロット分に相当するように、広く分布させた場合を示し、図３（ｂ）では１スロット分相当として、集中する磁極分布としたものである。また、同図矢印は電流の方向を示すものである。このように、巻線方法により磁極幅は任意に設計変更できるものである。

前記固定子２は、図４の固定子巻線結線図に示すように、集中巻線の２極磁極構造とされ、前記筐体の円筒ケーシング６ａとの間、及び、回転子３との間に、十分な冷却風の通路が形成される構造とされている。磁極２０，２１には、回転子３とのギャップが狭くされた磁極端２０ａ，２１ａと、広くされた磁極端部２０ｂ，２１ｂとが形成されている。前記回転子３は、ここでは図示していないが、図３に示したような励磁電流によって、回転子の周囲にＮ及びＳ極が生じている励磁状態を示している。

次に、図５に示す本発明電動送風機の回転原理説明図により、回転動作を説明する。先ず図５（ａ）において半導体スイッチＴｒ１をオフの状態にして、回転子３にはスリップリングを介して所定の電流を供給する。回転子の磁極はギャップの狭い図のような位置（またはＮ極とＳ極が入替わった位置）で平衡状態となって停止する。この回転子３の磁極位置を、ここでは図示しないが、周知のホールＩＣや磁気抵抗素子、高周波信号を利用した近接スイッチなどにより検出し、例えば、図５（ａ）に示す位置に回転子磁極が来たことを検出すると、半導体スイッチＴｒ１をオンに切替える。

すると、磁極２０はＮ極に、磁極２１はＳ極に励磁され、回転子３は時計方向の回転力を発生する。回転子３が図５（ｂ）の位置まで回転すると半導体スイッチＴｒ１はオフに切替る。回転子３は慣性によって時計方向の回転を続け、図５（ｃ）の状態となる位置を過ぎると、再び半導体スイッチＴｒ１をオンすると、このような半導体スイッチＴｒ１の半サイクルごとの断続によって連続回転させることができる。

前記した固定子磁極２０，２１への巻線を１相巻線のみとせずに、巻き方向の異なる他相巻線を同時にバイファイラー巻きして置き、２相コイルの両者を交互に断続させるようにして連続回転させることもできる。この場合は、先ず初めに回転子巻線のみを励磁して磁極安定位置に回転子磁極を近づけた後に、前記２相コイルを交互にオン、オフさせるという簡単な制御によって、連続回転が可能になる。このようにした場合、回転子磁極位置の検出手段が完全に不要にできる利点が得られる。回転子３は永久磁石を有していないため、大きな起動電流を流しても、永久磁石回転子のように減磁される恐れがなく、ソフトスタート回路が安価にでき確実な起動が得られる効果がある。

本発明の実施例２を図６回転子及び固定子巻線図と、図７回転原理説明図により説明する。図６，７において回転子３には、図３で示した重ね巻線方式による励磁により、磁極Ｎ，Ｓ極が形成されている。この電機子巻線への励磁は固定子巻線と並列接続としてスリップリング、正負極ブラシによって行っている。回転子巻線５は断面記号により電流方向を示しているが、励磁方法は固定子巻線４と並列接続するとは限らず、直列接続して、Ｔｒ１またはＴｒ２のスイッチングと同時に励磁させるようにすることもできる。

固定子２には２つの磁極対２２ａと２２ｂ及び２３ａと２３ｂが設けられており、半導体スイッチＴｒ１とＴｒ２の夫々と直列に接続された磁極集中巻線方式の巻線が施されている。半導体スイッチＴｒ１をオンすると固定子磁極２２ａはＮ極に、また固定子磁極２２ｂはＳ極となるように、巻線４が巻装されている。また同様に、半導体スイッチＴｒ２がオンすると固定子磁極２３ａがＮ極に、２３ｂはＳ極となるように巻装されている。

次ぎに図７により回転原理を説明する。図７（ａ）は回転子磁極が任意の位置にある初期状態を示す図である。起動時には磁極位置は一定していない任意の位置にあり、周知の回転子磁極位置検出手段として、例えば１個のホールＩＣのみによって検出される場合には、トルクの大きな適切な起動が行えない場合が起こる。今、図７（ａ）の状態で半導体スイッチＴｒ１をオンさせれば、回転子３を時計方向に回転させることができる。もし、回転子磁極位置がこれより９０°進んだ位置にあった場合には、回転子３は逆転することになるが、いずれにしても、続いて、Ｔｒ１とＴｒ２共にオンして、更に、Ｔｒ２のみをオンすると、固定子磁極は時計方向に磁界ピーク点が移動する移動磁界を作ることになる。回転子３は、この移動磁界に引き寄せられて時計方向への回転を始め、位置検出手段による位置信号が得られる位置に達する

前記回転子３が図７（ｂ）に示す磁極位置より９０°手前の位置に達したとき、その磁極位置検出信号によって、Ｔｒ１とＴｒ２を同時にオンすると時計方向トルクが発生する。前記回転子３は図７（ｂ）の位置より約４５°手前の位置に来たとき最大の加速トルクが発生し、図７（ｃ）より４５°進んだ位置までは、回転子３には時計方向の加速トルクが加わっている。この位置を過ぎると、逆方向の反時計方向のトルクとなるので、このときＴｒ１とＴｒ２を同時にオフする。回転子３は図７（ｄ）のに示す位置から、図７（ａ）の位置を過ぎるまで、回転子３と負荷の慣性力によって回転し、図７（ａ）の位置を過ぎるタイミングで、再びＴｒ１とＴｒ２をオンして加速させる。このような半サイクルごとの加速と惰行を繰り返す運転方法により、半導体スイッチを半減させることができ、制御回路を安価で小型化することができる。

本発明の実施例３を図８の回転子及び固定子巻線図と、図９の回転原理説明図により説明する。回転子３には、前記した重ね巻方式の回転子巻線５を励磁して現れる電流の方向とＮ，Ｓ磁極が図示の通り形成されている。固定子２には、３つの磁極２４，２５，２６が設けられ、夫々にユニポーラの３相巻線が施され、半導体スイッチＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３に接続されている。

次ぎに図９により回転原理を説明する。起動時の回転子磁極の位置は任意であるが、ここでは図９（ａ）の回転位置にある場合について説明する。この場合にＴｒ１をオンすると固定子磁極２４はＮ極となり、他の固定子磁極２５，２６はＳ極に磁化される。従って、回転子３は時計方向のトルクを生じ、図９（ｂ）に示す平衡点位置に向かって加速される。この位置の近傍に回転子３が達したとき、半導体スイッチＴｒ１をオフしてＴｒ２をオンすると、固定子磁極２５がＮ極に換わり、また固定子磁極２４と２６はＳ極となる。従って、回転子３は時計方向のトルクを継続して発生し、図９（ｃ）に示す平衡点位置に向かって加速される。この位置の近傍に回転子３が到達したとき、半導体スイッチＴｒ２をオフしてＴｒ３をオンすると、固定子磁極２６がＮ極に換わり、また固定子磁極２４と２５はＳ極となるので、図９（ａ）に示す平衡点位置に向かって：継続して加速される。

このような３個の集中巻線方式の固定子磁極に３相のユニポーラ巻線を施し、各相巻線を順番に励磁すると、固定子磁極の磁界ピーク点が一方向に回転する回転磁界ができるため、起動時に回転子はその回転方向に容易に同期して起動することができ、大きな起動トルクを出すことができる。図８では３極の磁極を示しているが、回転子３の磁極を２倍の４極にすると共に、固定子２の磁極数を３極対即ち６極の構造としても同様に回転制御でき同様の効果が得られる。

本発明の活用例として自動車の起動時に使用される過給器に利用すると極めて有効である。
従来の過給器では、エンジンの背圧を用いる方法や、直流機が用いられている。直流機が用いられる場合には１万ｒｐｍ回転程度が上限であったが、本電動送風機を使用すれば１０万ｒｐｍ回転が可能となり、超小型で動力向上が容易に達成できる新過給器が実現される。本発明の送風機は、単に送風機としての応用のみでなく、羽根は自己の冷却目的に利用し、小型高速となる利点を活かして、減速機との組合わせによって、交通車輌（軽自動車、バイク、ゴーカート）や介護アシスト車（車椅子、ストレッチャーなど）の動力アシストにも利用可能となるものである。

本発明第１実施例の片側半分を縦方向に断面した電動送風機である。 第１実施例の回転子の側面図である。 本発明の回転子巻線の一例を示す巻線展開図である。 第１実施例の回転子及び固定子磁極構造の説明図である。 第１実施例の電動送風機回転原理説明図である。 第２実施例の回転子及び固定子平面図である。 第２実施例の回転原理説明図である。 第３実施例の回転子及び固定子平面図である。 第３実施例の回転原理説明図である。

符号の説明

１： 電動送風機
２： 固定子
３： 回転子
４： 固定子巻線
５： 回転子巻線
６ａ，６ｂ： ケーシング
７： 遠心ファン
８ａ，８ｂ： 軸受
１０： 正極ブラシホルダ
１１： 負極ブラシホルダ
２０，２１，２２，２３，２４，２５： 固定子磁極
３２： スリップリング
３２ａ： 正極スリップリング
３２ｂ： 負極スリップリング
３３： 正極ブラシ
３４： 負極ブラシ

Claims (6)

1. 給電ブラシによりスリップリングを介して励磁電流が供給される多スロット型回転子巻線を有する回転子と、該回転子の磁極位置検出手段と、磁極集中巻線式固定子巻線を有する固定子と、該固定子を保持して主風路となる筐体と、前記回転子の回転軸に取り付けられた遠心ファンを有する電動送風機において、前記回転子の磁極位置検出信号により、回転子巻線または固定子巻線の通電電流を半導体スイッチを断続させ制御する如くしたことを特徴とする電動送風機。
2. 前記回転子は、複数のスロットを有する回転子鉄心に、重ね巻方式により巻装された巻線を励磁して、磁極を形成してなることを特徴とする請求項１記載の電動送風機。
3. 前記固定子は、一方の磁極端部と回転子間距離を他の磁極端部より小さくし、２極の固定子磁極と１相の固定子巻線を有する固定子とした請求項１または２記載の電動送風機において、所定時間、回転子巻線のみを励磁して後、前記固定子巻線を制御する如くしたことを特徴とする請求項１または２記載の電動送風機。
4. 前記固定子は、４極の磁極構造とし、隣接する磁極が同極となる如く２対の固定子巻線を設け、且つ、２個の半導体スイッチにより該固定子巻線を制御してなる請求項１または２記載の電動送風機。
5. 前記固定子は、３又は６極の固定子磁極構造とし、３相の固定子巻線を３個の半導体スイッチで制御する如くしたことを特徴とする請求項１または２記載の電動送風機。
6. 前記請求項１乃至５記載の電動送風機を用いたことを特徴とする自動車用電動過給器。

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