JP2009273237A - 整流子モータおよびそれを用いた電動送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、固定子鉄心と電機子鉄心との磁気抵抗変化を緩やかに設定することにより、モータトルクの減少を防止しながら、脈動トルクを低減させることにより、モータトルク性能とブラシ長寿命化を両立した、高効率でかつ高性能な整流子モータを得ることにある。
【解決手段】
固定子鉄心の主磁極先端部が、固定子鉄心の内側と電機子鉄心外径との間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し外径方向に傾斜させる。また、主磁極先端部の傾斜部は主磁極一つに対し少なくとも一箇所、電機子回転方向に対し後進側に配置する。さらに、主磁極先端の傾斜開始部分から主磁極先端までの距離が成す周方向角度を電機子スロット毎の角度で除した値が０.４以上０.７以下の範囲であり、かつ主磁極先端部の外径方向への傾斜角度が、固定子鉄心内側と電機子外径の間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し５度以上１５度以下の範囲に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流子モータの鉄心およびその構造に関し、特に電動送風機に搭載され、駆動源として用いる整流子モータに関するものである。

電気掃除機や電動工具は、その操作性の観点から、搭載されるモータは小形軽量なものが望まれる。モータを小形軽量化する手段として、例えば非特許文献１で記載されているように、高い回転速度を設定することと、鉄心の磁束密度を比較的高く設定する方法などが採られている。

一方、電気掃除機には小形軽量化とともに求められる性能として吸込み力がある。吸込み力は電動送風機の出力に強く依存するが、家庭用の電気掃除機では電動送風機に供給できる電力に限度があることから、整流子モータの効率向上によるモータ出力増加が吸込み力を向上させる鍵となっており、整流子モータの損失の低減が強く要求されている。

他方、整流子モータでは、脈動トルクを減少させ機械的振動を小さくしてモータの整流性能を向上させ、ブラシ寿命を高める試みが行われている。

図９に、従来例の整流子モータの断面構成を示す。１は固定子、２は電機子、３は固定子鉄心、４はシャフト、５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂ、７は電機子鉄心、８は主磁極、１０は電機子巻線である。

また、４１は固定子スロット、４２は電機子スロット、４３はティースである。

トルクは、固定子鉄心３に、集中巻で巻装された５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂからの主磁束と、電機子鉄心７に巻装された電機子巻線１０からの電機子反作用磁束との磁気的な相互作用により発生する。

脈動トルクは、固定子鉄心３と電機子鉄心７との磁気抵抗の変化より発生し、磁気抵抗の変化の度合いは、電機子スロット４２の面積により大きく影響される。特に電気掃除機用の整流子モータは、小型軽量化のためモータ設計上、巻線スペースすなわちスロット面積を比較的大きくする設計手法が採られるため、上記磁気抵抗の変化が大きくなりがちである。このため、吸込み力を重視する一方、脈動トルクは比較的大きいまま放置され、脈動トルクにより発生する機械的振動が起因する整流性能の低下に対する改善は未だ達成されていない。

脈動トルクを減少させる技術が、特許文献１，特許文献２および特許文献３に開示されている。以下、これらの従来例について説明する。

特許文献１は、電機子ティースの径方向外側の端面を回転方向前方側に広がるように傾斜させ、脈動トルクの低減を図ることが開示されている。

特許文献２は、電機子回転方向に対して主磁極の前進側に位置する主磁極先端の鉄心を、電機子後進側のそれに対して短く設定し、整流子モータの中心軸に対し非対称鉄心構成としている例である。つまり、中心軸に対して主磁極の左側開口度と右側開口度とを互いに異ならせてある。これにより、前記電機子からの反作用磁束による影響を、主磁極の非対称構成により抑制して脈動トルクの減少を図ったことが開示されている。

特許文献３には、特許文献２に対して、主磁極が非対称鉄心形状でない場合であり、界磁巻線の占有面積を十分確保した例が、開示されている。

特開平０９−５１６４１号公報 特開平０７−２９８５９２号公報 特開平２００３−１５３４７１号公報 電気学会回転機研究会資料ＲＭ−９６−２８「クリーナ用ユニバーサルモータの電力密度の向上について」

本発明が解決しようとする課題は、整流子モータのトルクの減少を防止しながら脈動トルクを低減させることにより、整流性能に悪影響を及ぼす機械的振動を低減させることでブラシ寿命を改善することである。最終的には電気掃除機の基本性能である吸込み力を維持しつつブラシ寿命を改善することで、強い吸引力と製品の長寿命化を実現することができる。

本発明は、固定子と電機子とを有し、固定子は、電磁鋼板を積層して成る固定子鉄心と、固定子鉄心の主磁極部に巻装した界磁巻線と、から構成され、電機子は、電磁鋼板を積層して成る電機子鉄心と、電機子巻線と、シャフトと、整流子と、から構成され、電機子鉄心のスロットに電機子巻線を巻装し、電機子巻線の両端を前記整流子に接続し、電力の授受を行う整流子モータであって、固定子鉄心の内側と、前記電機子鉄心の外径と、の間に形成される空隙のギャップ長が、前記固定子の主磁極先端に向かって漸増することを特徴とする。また、その漸増する割合が、前記固定子の主磁極の中央側より、前記固定子の主磁極先端側で大きいことを特徴とする。

また、本発明は、整流子モータにおいて、固定子鉄心の主磁極先端部内側に屈曲部分を有し、屈曲部分から主磁極先端に向かって、固定子鉄心内側と電機子外径との間に形成される空隙ギャップを、漸増させることを特徴とする。その際に、屈曲部から主磁極先端までの距離が成す周方向角度を電機子スロット毎の角度で除した値が０.４以上０.７以下の範囲であり、また主磁極先端部の外径方向への傾斜角度が、固定子鉄心内側と電機子外径の間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し５度以上１５度以下の範囲であることを特徴とする。

さらに、電機子の回転方向に対し、後進側に位置する固定子鉄心の主磁極先端部が、固定子鉄心の内側と電機子鉄心外径との間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し、外径方向に傾斜させることを特徴とする。その際に、整流子モータの回転駆動力は一方向であることを特徴とする。

また、整流子モータの駆動に交流印加電圧を用いることが特徴であり、整流子モータの回転周波数が、５００Ｈｚ以上に設定されることが特徴である。

さらに、本発明の整流子モータを、駆動モータとして、電動送風機，電動工具又は電気掃除機に用いることができる。

本発明によれば、モータトルクを維持しながら、脈動トルクを低減することにより、機械的振動を減少させブラシ寿命を飛躍的に改善できるので、高効率で高性能な整流子モータを提供できるという効果がある。

以下、本発明の実施例を図１から図８により説明する。

図１は本発明に係わる電動送風機の構成を示したものである。電動送風機１００のモータ側はモータケース６０とエンドブラケット６２内に電機子２、固定子１により構成している。また、モータの出力軸端に設けたファン５０を囲むようにディフューザ５１とファンケーシング６１を設ける構成にしている。

一方、モータの固定子１はモータケース６０内に固定子鉄心３と５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂとで構成し、５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂに電流を流すことにより主磁束を発生させる。

固定子鉄心３とは空隙ギャップ１５を介して配置される電機子２はシャフト４を備え、モータケース６０とエンドブラケット６２の軸心に設けた反出力側軸受２１ａ，出力側軸受２１ｂに支承されており、シャフト４には整流子３５と電機子鉄心７が設けられ、電機子鉄心７のスロットには電機子巻線１０が巻回され、各コイルの両端は整流子３５を構成する各整流子片に接続されている。

整流子モータの端子間に交流電圧を印加すると電流は固定子１の一方の界磁巻線ａを介してカーボンブラシ３１に流れ、電機子２への電力の授受は対向配置した、もう一方のカーボンブラシ（図示せず）を介して行われる。

整流子３５への機械的な摺動接触による通電は、高速回転条件下でも安定給電できるように、カーボンブラシがブラシ加圧用ばね３２により整流子３５に付勢され、電機子巻線１０に整流現象に伴う電流が流れ、連続的なトルクを発生し、ファンの回転力を得ている。

図２に本発明の係わる整流子モータのＡ−Ａ断面図を示す。本発明の係わる電機子２の回転方向後進側に位置する固定子鉄心の主磁極先端部１２を、固定子鉄心３の内側と電機子鉄心７の外径との間に形成される空隙ギャップ１５のつくる円弧の接線Ｌ１に対し外径方向に傾斜させる構造とする。主磁極先端部１２の傾斜させる寸法設定については、以下に説明する計算機を利用した空隙ギャップ１５の周方向の磁束密度分布から予め決定することができる。

図３〜図５に、計算機を利用した整流子モータの空隙ギャップの磁束密度分布の解析値を示す。図３は、５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂ、電機子巻線１０の双方励磁した場合、図４は５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂのみ励磁した場合、そして図５は電機子巻線１０のみ励磁した場合である。各々について（ａ）従来例、（ｂ）本発明に関わる整流子モータの空隙ギャップ１５の磁束密度の周方向分布を示した。

まず、実際の負荷運転状況を再現した図３から説明する。回転トルクは、空隙ギャップ１５の磁束密度とモータ電流の積であるので、モータ電流値を一定とみなすと、空隙ギャップ１５の磁束密度が回転トルクに影響を与えると考えてよい。つまり、脈動トルクを軽減するためには、空隙ギャップ１５の磁束密度分布を正弦波状とすればよいが、実際のモータでは電機子反作用磁束の影響で必ずしも正弦波状ではなく歪んで分布する。モータの磁気回路設計上、留意すべきは急峻な磁束密度変化を伴うような分布を採らないようにすることである。

図中（ａ）従来例では、矢印のところに急峻な空隙ギャップ１５の磁束密度変化が存在することがわかる。これが、脈動トルクの源であることが詳細な分析の結果判明した。これに対し、本発明に関わる整流子モータでは、上記、急峻な磁束密度変化を緩やかに設定させるため、この部分に対応する固定子鉄心３の主磁極先端部１２を外径方向に傾斜させた。適当な主磁極先端部１２の傾斜条件を設定することにより従来の急峻な磁束密度の変化は消滅し、結果として脈動トルクが低減できる。

ただし、傾斜が少ないと本発明の効果が薄く、実用上、課題を解決できない。反対に傾斜しすぎると、等価ギャップ長が増大してしまい脈動トルクのみならずモータトルクの低下を招くので、傾斜の条件には一定の最適な範囲があることを理解した上で決定すべきである。

また、図４は、５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂのみ励磁した場合の空隙ギャップ１５の磁束密度分布である。５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂのみの励磁の場合も、図３で示した従来例における急峻な磁束密度の変化が、本発明の整流子モータでは消滅していることがわかる。

図５は、電機子巻線１０のみ励磁した場合の空隙ギャップ１５の磁束密度分布である。電機子巻線１０のみの励磁の場合も同様に、図３で示した従来例における急峻な磁束密度の変化が、本発明の整流子モータでは消滅していることがわかる。

これより、固定子起磁力と電機子起磁力との相互作用で回転駆動力を得る整流子モータにおいて、主磁極先端部１２に設けた外径側に傾斜させる構造は脈動トルクの低減に有効である。

図６および図７は、計算機を利用した整流子モータのトルク波形解析値である。図６は交流１周期のトルク波形、図７にトルクピーク部分を拡大した波形である。モータへは商用周波数５０Ｈｚ〜６０Ｈｚの主電流（図６，図７では５０Ｈｚ）が流れるため、モータトルクは１００Ｈｚの周期で変動する。一方、脈動トルクについては、上記、固定子鉄心３と電機子鉄心７との磁気抵抗変化があるため、電機子スロットピッチに相当する周期で発生する。空隙ギャップ１５の磁束密度分布からの知見より、明らかに本発明に関わる整流子モータは、脈動トルクを大幅に低減できる。

ところで、整流子モータの小形軽量化の要求から回転速度を高く設定している。例えば本実施例の電動送風機１００は３０,０００ｒ／min以上の高速で回転駆動する。一方、摺動接触しながら電力の授受の役割を担うカーボンブラシ３１はブラシ寿命の関係から寸法制約を受け、その弾性振動数と脈動トルク発生周期とが一致するために起きる機械的共振現象により、カーボンブラシ３１の異常磨耗が問題視される場合がある。本発明の効果は、このような場合にさらに有効であり、特に３０,０００ｒ／min以上、本実施例の整流子モータは２極であるので回転周波数で５００Ｈｚ以上の回転周波数において効果をさらに奏する。

主磁極先端部１２の傾斜部分は主磁極８一つに対し少なくとも一箇所、電機子２の回転方向に対し後進側に配置すれば本発明の効果が十分発揮される。このため、本実施例での整流子モータは電気掃除機に搭載されるブロアーモータの一方向の回転駆動を想定し、主磁極先端部１２の傾斜部分は主磁極８の電機子２回転方向の後進側に一箇所だけ設けたが、主磁極先端部１２の傾斜部分を主磁極８一つに対し、前進側と後進側の両方に配置しても発明の効果は、電機子２後進側に一箇所設けた場合と変わりなく享受される。また、主磁極８への傾斜部分の前進側と後進側の両方配置は、時計回り，反時計回りの双方向の回転駆動力を得る整流子モータの双方向回転駆動時の脈動トルク低減に効果を奏するのである。

なお、本実施例では、２極の整流子モータを例に説明したが、４極、さらに多極の場合においても、一方向回転の場合については主磁極８一つに対し電機子２の回転方向に対し後進側に一箇所または両方の主磁極先端部１２に傾斜部分を設置、双方向回転の場合は主磁極８一つに対して両方の主磁極先端部１２に傾斜部分を設ける本発明の基本構成には変わりない。

図８に、θ２／電機子スロットピッチおよびθ３と、モータトルクとブラシ寿命との関係図を示す。ここでθ２，θ３および電機子スロットピッチについて、図２を用いて説明する。θ２は、主磁極先端部１２の屈曲部から主磁極先端までの距離が成す周方向角度をいい、固定子鉄心３内側と電機子鉄心７外径の間に形成される空隙ギャップ１５のつくる円弧の接線Ｌ１に対し主磁極先端部を傾斜させた角度をθ３とする。また、電機子スロットピッチは図示したとおり、電機子スロット４２間の角度をいう。本実施例では、電機子スロット４２の数が１２であるので、電機子スロットピッチは３６０度÷１２で３０度となる。

モータトルクについては、θ２／電機子スロットピッチを大きく設定すると減少傾向を示すが、θ３を小さく設定すると、その減少傾向が鈍化することがわかる。また、θ３が２０度における急なモータトルクの低下は、主磁極先端部１２の傾斜が大きすぎるため、固定子スロット４１を狭めてしまい、５は界磁巻線ａ、６は界磁巻線ｂの巻装スペースの確保が困難となった結果、銅損の増大を招いてしまったためである。

以上、モータトルクに関しては、それが維持されるように、θ２／電機子スロットピッチとθ３を選択設定しなければならない。

一方、ブラシ寿命はθ３によらず、θ２／電機子スロットピッチが０.５にピークがあり、０.５よりも大きくても、逆に小さくてもブラシ寿命の改善量は低下する傾向にある。また、θ３が５度では、従来例の整流子モータに対してブラシ寿命の改善量が少ないが、上記、モータトルクが維持されるθ２／電機子スロットピッチの選択幅を考慮すると実用上問題ない。

上記、モータトルクの維持とブラシ寿命の改善の両方を勘案すると、θ２／電機子スロットピッチについては図中点線で示した範囲０.４以上０.７以下がよく、θ３については５度以上１５度以下の範囲に設定すればよいことがわかる。すなわち、θ２／電機子スロットピッチとθ３とが、上記範囲を満足するように主磁極先端部１２を傾斜させればよい。

なお、本実施例では、ブラシ寿命の改善量を重視して、θ２／電機子スロットピッチが０.５とし、θ３は１０度に設定した。

本発明の実施例を示す電気掃除機用電動送風機の半断面。 本発明の整流子モータのＡ−Ａ断面図。 界磁巻線，電機子巻線の双方を励磁した場合の空隙ギャップの磁束密度分布解析値。 界磁巻線のみ励磁した場合の空隙ギャップの磁束密度分布解析値。 電機子巻線のみ励磁した場合の空隙ギャップの磁束密度分布解析値。 トルク波形解析値（交流１周期）。 トルク波形解析値（ピーク拡大）。 θ２／電機子スロットピッチおよびθ３と、モータトルクとブラシ寿命との関係図。 従来例の整流子モータのＡ−Ａ断面図。

符号の説明

１ 固定子
２ 電機子
３ 固定子鉄心
４ シャフト
５ 界磁巻線ａ
６ 界磁巻線ｂ
７ 電機子鉄心
８ 主磁極
１０ 電機子巻線
１２ 主磁極先端部
１５ 空隙ギャップ
２１ａ 反出力側軸受
２１ｂ 出力側軸受
３０ａ，３０ｂ ブラシ装置
３１ カーボンブラシ
３２ ブラシ加圧用ばね
３５ 整流子
４１ 固定子スロット
４２ 電機子スロット
４３ ティース
５０ ファン
５１ ディフューザ
６０ モータケース
６１ ファンケーシング
６２ エンドブラケット
１００ 電動送風機

Claims (12)

1. 固定子と電機子とを有し、
   前記固定子は、電磁鋼板を積層して成る固定子鉄心と、前記固定子鉄心の主磁極部に巻装した界磁巻線と、から構成され、
   前記電機子は、電磁鋼板を積層して成る電機子鉄心と、電機子巻線と、シャフトと、整流子と、から構成され、
   前記電機子鉄心のスロットに前記電機子巻線を巻装し、前記電機子巻線の両端を前記整流子に接続し、電力の授受を行う整流子モータであって、
   前記固定子鉄心の内側と、前記電機子鉄心の外径と、の間に形成される空隙のギャップ長が、前記固定子の主磁極先端に向かって漸増し、
   漸増する割合が、前記固定子の主磁極の中央側より、前記固定子の主磁極先端側で大きく、かつ、漸増する割合が異なる複数の前記ギャップ長があることを特徴とする整流子モータ。
2. 固定子と電機子とを有し、
   前記固定子は、電磁鋼板を積層して成る固定子鉄心と、前記固定子鉄心の主磁極部に巻装した界磁巻線と、から構成され、
   前記電機子は、電磁鋼板を積層して成る電機子鉄心と、電機子巻線と、シャフトと、整流子と、から構成され、
   前記電機子鉄心のスロットに前記電機子巻線を巻装し、前記電機子巻線の両端を前記整流子に接続し、電力の授受を行う整流子モータであって、
   前記固定子鉄心の主磁極先端部内側に屈曲部分を有し、前記屈曲部分から主磁極先端に向かって、固定子鉄心内側と電機子外径との間に形成される空隙ギャップを、漸増させることを特徴とする整流子モータ。
3. 前記電機子の回転方向に対し、後進側に位置する固定子鉄心の主磁極先端部が、固定子鉄心の内側と電機子鉄心外径との間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し、外径方向に傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の整流子モータ。
4. 前記屈曲部から主磁極先端までの距離が成す周方向角度を電機子スロット毎の角度で除した値が０.４以上０.７以下の範囲であることを特徴とする請求項２に記載の整流子モータ。
5. 前記整流子モータの回転駆動力は一方向であることを特徴とする請求項３に記載の整流子モータ。
6. 前記整流子モータの駆動に交流印加電圧を用いることを特徴とする請求項１に記載の整流子モータ。
7. 前記整流子モータの回転周波数が、５００Ｈｚ以上に設定されることを特徴とする請求項１に記載の整流子モータ。
8. 請求項１に記載の前記整流子モータを駆動モータとして用いることを特徴とする電動送風機。
9. 請求項１に記載の前記整流子モータを駆動モータとして用いることを特徴とする電動工具。
10. 請求項１に記載の前記整流子モータを駆動モータとして搭載することを特徴とする電気掃除機。
11. 前記主磁極先端部の外径方向への傾斜角度が、前記固定子鉄心内側と電機子外径の間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し５度以上１５度以下の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載の整流子モータ。
12. 前記屈曲部から主磁極先端までの距離が成す周方向角度を電機子スロット毎の角度で除した値が０.４以上０.７以下の範囲であり、かつ、前記主磁極先端部の外径方向への傾斜角度が、前記固定子鉄心内側と電機子外径の間に形成される空隙ギャップのつくる円弧の接線に対し５度以上１５度以下の範囲とすることを特徴とする請求項２に記載の整流子モータ。

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