JP2010158165A - 整流子モータ - Google Patents

Abstract

【課題】電気掃除機等に搭載される整流子モータの電機子鉄心の鉄損低減を達成しながら、励磁電流増加を抑えた高効率な整流子モータを得る。
【解決手段】固定子鉄心は高磁束密度領域（略１．６〜１．８Ｔ）においても磁化特性の劣化が少ない材質で構成し、電機子鉄心は少なくとも中磁束密度領域（略１．２〜１．４Ｔ）まで磁化特性の劣化が少なく、鉄損特性の良好な材質で構成し、両者を組み合わせて整流子モータを構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気掃除機等に搭載される電動送風機に用いられる整流子モータの鉄心の構成に関する。

従来、電動送風機に用いられるモータでは、磁極数が２極の整流子モータが多く用いられている。このモータは負荷が軽いと回転速度が増加し、負荷が重いと回転速度が下がって高トルクを発生するという直巻特性を持たせることができるので、送風機駆動に適した特性を有するためである。

従来の整流子モータでは、固定子鉄心材と電機子鉄心材には、同じ材質が採用され、電磁鋼板を金型で打ち抜き、積層して固定子および電機子鉄心とし、この固定子鉄心の磁極部に界磁巻線を、電機子鉄心のスロット部に電機子巻線を巻装する構成になっている。ここで電気掃除機は、整流子モータが最も多く用いられている製品の一つであり、電気掃除機本体を小形軽量として操作性を向上させるため、搭載される整流子モータも小形軽量なものが求められている。そのため搭載モータを小形軽量化する手段として、例えば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」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、モータ鉄心の磁束密度を比較的高く設定する方法、等が採られている。

また、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力がある。吸込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モータに供給できる電力に限度があることから、駆動源である整流子モータの効率向上によるモータ出力増加が吸込力を向上させる鍵となっている。

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」第２１頁乃至第３０頁

モータ効率向上のアプローチとしては、風損、ブラシ周りの摩擦損失や軸受摩擦損失などの機械損失の低減、鉄心部から発生する鉄損の低減、巻線部から発生する銅損の低減などが挙げられる。

しかしながら、モータ体格を極限まで小さく軽くしたモータでは、一般に磁束流路の断面積が減少することから必要出力を得るために必要な磁束は電流増加によって補うことになり銅損低減は困難である。このため、低摩擦係数となる軸受やブラシ、あるいは単位磁束密度あたりの損失係数が小さい低損失鉄心材などの材料面の開発を待たなければ、飛躍的な効率向上を望めなかった。

本発明の目的は、電気掃除機等に搭載される整流子モータの電機子鉄心の鉄損低減を達成しながら、励磁電流増加を抑えた高効率な整流子モータを得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は固定子鉄心には高磁束密度領域（略１．６〜１．８Ｔ）においても磁化特性の劣化が少ない材質の電磁鋼板を用い、電機子鉄心は少なくとも中磁束密度領域（略１．２〜１．４Ｔ）まで磁化特性の劣化が少なく、鉄損特性の良好な材質の電磁鋼板を用い、それら固定子鉄心と電機子鉄心を組み合わせて整流子モータを構成する。

本発明によれば、整流子モータを駆動するのに必要な起磁力の大半を消費する固定子鉄心に高磁束密度領域（略１．６〜１．８Ｔ）で磁化特性の良好な鉄心材を用い、電機子鉄心には鉄損低減に有効な薄板で、少なくとも中磁束密度（略１．２〜１．４Ｔ）まで磁化特性の良好な鉄心材を組み合わせることにより、励磁電流の増加を抑制し、かつ電機子コア鉄損を低減した高効率の整流子モータを得ることができる。

本発明によれば、固定子鉄心は高磁束密度領域（略１．６〜１．８Ｔ）においても磁化特性の劣化が少ない材質、電機子鉄心は少なくとも中磁束密度領域（略１．２〜１．４Ｔ）まで磁化特性の劣化が少なく、鉄損特性の良好な材質を組み合わせて整流子モータを構成する。これにより電気掃除機等に搭載される整流子モータの電機子鉄心の鉄損低減を達成しながら、励磁電流増加を抑えた高効率な整流子モータを得ることができる。

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図。 本発明の整流子モータのＡ−Ａ断面図。 鉄心材の磁化特性の説明図。 鉄心材の鉄損特性の説明図。 モータ界磁起磁力の試算結果の説明図。 モータ仕様と特性の説明図。 本発明に係わる他の実施例の説明図。 本発明に係わる他の実施例の説明図。 本発明に係わる他の実施例の説明図。 周波数と鉄損との関係図。

以下、本発明に係る実施の形態の一例を図１乃至図６を用いて説明する。図１は本発明に係わる電動送風機の構成の一実施例を示したものである。電動送風機５０のモータ側はハウジング２１とエンドブラケット２４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３０を囲むようにディフューザ３１とケーシング３２を設ける構成にしている。

モータの固定子１はハウジング２１内に固定子鉄心５と界磁巻線３とで構成し、界磁巻線３に電流を流すことにより界磁起磁力により主磁束を発生させる。固定子鉄心５とはギャップ１５を介して配置される電機子２はシャフト２０を備え、ハウジング２１とエンドブラケット２４の軸心に設けた軸受２２ａ、２２ｂに支承されており、シャフト２０には整流子９と電機子鉄心６が設けられ、電機子鉄心６のスロットには電機子巻線４が巻回され、各コイルの両端は整流子９を構成する各整流子片に接続されている。

モータの端子間に交流電圧を印加するとモータ電流は固定子の一方の界磁巻線３を介してブラシ８に流れ、電機子への電力の授受は一方のブラシ８と整流子９との機械的な摺動接触による通電で電機子巻線４に電流が流れ、他のブラシ８を介して、他の界磁巻線３に接続することにより電気回路を構成してモータに駆動力を発生させている。

図２に本発明のモータのＡ−Ａ断面図を示す。固定子鉄心５はヨーク部５−ｂと磁極部５−ａと界磁巻線３からなる。また、固定子鉄心５は電磁鋼板を金型で所定の形状に打ち抜いてから積層し、界磁巻線３を取り付けて固定子１とする。一方、電機子鉄心６は歯部６−ａとコアバック部６−ｂとからなり、固定子鉄心５と同様に、所定の形状寸法に金型を用いて打ち抜いて積層し、電機子巻線４を巻装して製作する。

本発明による整流子モータは、回転速度を３０，０００ｒ/ｍｉｎ以上の高速に設定し、さらにモータの鉄心各部の磁束密度については、略１．０〜１．８Ｔの比較的高い磁束密度の状態で駆動することにより単位体積あたりの磁気エネルギーを高めている。具体的には、電機子鉄心のコアバック部で略１．２〜１．４Ｔ、固定子鉄心のヨーク部では、略１．６〜１．８Ｔとしている。コアバック部の磁束密度が、ヨーク部の磁束密度より低く設定している理由は、固定子鉄心を構成するヨーク部には商用周波数５０〜６０Ｈｚの周波数の磁束が鎖交するのに対し、電機子鉄心を構成するコアバック部には回転速度３０，０００ｒ/ｍｉｎ相当以上の周波数５００Ｈｚ以上の高い周波数の磁束が鎖交し、鉄損が多く発生するため、鉄損抑制を目的として磁束密度を下げた設計としているためである。また、モータの消費電力は、一般家庭におけるコンセント電源として上限クラスとなる９００〜１０００Ｗ級の仕様で、モータ質量１２００ｇ以下まで軽量としている。

図３に本発明に係る鉄心材の磁気特性を、図４に図３に示した鉄心材の鉄損特性を示す。磁化特性は所要の磁束密度を得るための磁化力を表し、モータ用の鉄心材としては、図３の特性カーブの右上がりの傾きが大きいほど有用である。つまり、同じ磁束密度を得るための磁化力が少ないほど励磁電流を低減できるので、モータの高効率化に有利となる。

一方、電気掃除機などに搭載される高速で駆動する整流子モータの鉄損は、回転周波数も３０，０００ｒ／ｍｉｎ以上に設定されるので、鉄損を構成するヒステリシス損と渦電流損の構成比は渦電流損失が支配的となる。よって,高周波による鉄損を低減するために、薄板の電磁鋼板が一般的に使用される。磁化特性と鉄損特性の両者を鑑みたときに、モータ鉄心材として有用なのは、磁化特性が良好で、鉄損は高周波駆動でも小さいという特長を有する鉄心材と言うことができる。しかしながら、磁化特性が良好な鉄心材Ａは鉄損が大きく、鉄損特性が良好な鉄心材Ｂは、磁化特性が低下している。つまり、磁化特性と鉄損特性とは相反する作用を有することがわかる。

図５に上述した鉄心材Ａ、Ｂを用いたモータにおける鉄心部の消費起磁力（以下ＡＴと記す）試算結果を示す。各々のモータにおいては、固定子鉄心形状と電機子鉄心形状ならびに積厚は同一とした。また図５は、各モータを同一出力とする意味で、鉄心材各部の磁束密度は各モータで同一として設計した場合の結果を各々、磁束密度[Ｔ]、磁路長[ｃｍ]、ＡＴの順で示している。なお、ＡＴとは、モータ鉄心各部における磁束密度から決まる磁化力と磁路長の積であり、総ＡＴとはそれらを合計した値である。ここで、総ＡＴは励磁電流と界磁巻線巻回数の積に比例するため、界磁巻線巻回数を設定すれば励磁電流が決定できる。

従来（１）モータは、固定子、電機子鉄心材ともに鉄心材Ａが採用されたモータ、従来（２）モータは固定子、電機子鉄心材ともに鉄心材Ｂが採用されたモータである。これらに対し、本発明モータは固定子鉄心材には鉄心材Ａを、電機子鉄心材には鉄心材Ｂというように材質を異ならせた構成としている。上述したように、各々のモータで固定子鉄心形状と電機子鉄心形状ならびに積厚は同一であり、さらに磁束密度と磁路長は同じであることから、総ＡＴは鉄心材の磁化特性より決定されることになる。

総ＡＴを各モータ例で比較すれば,まず従来（１）モータに対し、従来（２）モータは総ＡＴが約１．１倍（＝３６０／３２０）に増加した。この差は鉄心材各部のＡＴに注目すると、ヨーク部のＡＴ差に起因していることがわかる。すなわちヨーク部では１．７Ｔ台と高磁束密度でさらに磁路長も長いため、総ＡＴの大半を消費してしまうが、従来（２）モータでは、高磁束密度領域（図３領域（２））での起化力が鉄心材Ｂを用いたために鉄心材Ａよりも多く必要となり、総ＡＴも大きくなってしまったためと言える。なお,従来（２）モータの電機子鉄心側では、磁束密度が１．４Ｔ程度では鉄心材Ａ、Ｂとで磁化特性に大差がないこと（図３領域（１））に加え、歯部では磁束密度が１．８Ｔ台と高いものの、モータの構造上、磁路長がヨーク部に比べ短くなることから従来（１）モータに対し大きな差は現れていない。

本発明モータでは、総ＡＴを極力増加させないように、かつ電機子側の鉄損を低減する目的で、固定子鉄心に鉄心材Ａを、電機子鉄心に鉄心材Ｂを採用した。この結果、ヨーク部でのＡＴ消費量を、従来（１）モータと同等とし、電機子鉄心側のＡＴ消費量は１．４Ｔ程度であれば鉄心材Ｂでも増加させずにすむことが、このＡＴ試算結果より明らかとなった。

図６に、上記従来（１）、（２）モータと本発明モータの仕様と特性の比較例を示す。界磁コイル巻回数は、ファンの負荷と入力および回転速度を入力値に、前記総ＡＴにより算出した。従来（２）モータは総ＡＴが他の従来（１）モータや本発明モータに対して大きいので、界磁コイル巻回数を３ターン多く設定しなければならなかった。なお、本発明モータは、前記のように総ＡＴが従来（１）モータと同等であるので、本例においては界磁巻線巻回数も従来（１）モータと同じ５０ターンとできている。従来（２）モータは、低鉄損の鉄心材Ｂを適用したのにもかかわらず、従来（１）モータ効率に対し、０．２％程度の向上に留まった。これは、界磁コイル巻回数を多く設定しているため、界磁巻線から発生する銅損が増加して、鉄損低減分と相殺したためである。

一方、本発明モータの効率は、従来（１）モータのそれに対して、約１％台の向上を図ることができた。電機子鉄心材６に鉄心材Ｂを採用し鉄損を低減させ、固定子鉄心５に鉄心材Ａを採用し総ＡＴを従来（１）モータと同等としたことにより、銅損を増加させずに鉄損低減を実現することができたためである。よって本発明によるモータ構成は、モータの効率向上に寄与することが検証できた。図７に、本発明の係わる他の実施例を示す。上記までの実施例では、固定子鉄心５の積厚Ｌｃと電機子鉄心６の積厚Ｌａが同じとして説明してきたが、ここでは、固定子鉄心５の積厚Ｌｃと電機子鉄心６の積厚Ｌａが互いに異なる場合について説明する。図７は、固定子鉄心５の積厚Ｌｃが電機子鉄心６の積厚Ｌａよりも大きい場合である。この場合、積厚の増加により界磁磁束量を確保するための鉄心断面積を増加できるので、所要の界磁起磁力を得るのに必要な界磁巻線巻回数が少なくできる利点がある。界磁巻線巻回数が少ないと、電機子鉄心側の鉄損低減に加え、界磁巻線の銅損低減にも寄与するので、モータの効率をさらに高効率とすることができる。

また、それとは逆に電機子鉄心６の積厚Ｌａが固定子鉄心５の積厚Ｌｃよりも大きい場合、電機子鉄心の磁束密度を下げる作用が得られるため、電機子鉄心の鉄損がさらに低減されると同時に、電機子鉄心の表面積が増えるため放熱性が向上し、電機子巻線の温度上昇が抑制されることで電機子巻線銅損を低減できる効果がある。

図８に、本発明に係わる他の実施例を示す。本実施例では固定子鉄心５を固定子鉄心分割部４０で分割構造とした。固定子鉄心が一体構造の場合は、固定子鉄心の内周、すなわち電機子鉄心の収まる部位は廃材として処分することになるが、分割構造とすることで電磁鋼板の材料利用率が向上し、材料費低減によって、より安価に本発明モータを提供できる利点がある。

図９に、本発明の係わる他の実施例を示す。固定子鉄心５はハウジング２１内周面との強固な固定と、モータ駆動時の振動に対する剛性を確保する目的にカシメ部４１を設け、電磁鋼板同士を固定してある。一方、電機子鉄心６については、カシメ部４１を設けると電機子鉄心６の円周方向に対して磁気抵抗のバランスが崩れるために、整流悪化の要因の一つになることから、電機子鉄心６の内周面にシャフト２０を挿入し、シャフト２０外周に設けた凹凸部４２と電機子内周面との摩擦接触によって電磁鋼板同士の固定と、電機子鉄心６とシャフト２０との固定を行い、電機子鉄心６で発生する回転トルクをシャフト２０を通じて確実にファン３０に伝達するようにした。ここで、鉄損低減の面からは電機子鉄心６に用いる電磁鋼板の厚さは、なるべく薄いほうが良いが、薄くしすぎると前記摩擦接触の強さが低下し、モータの安定動作を妨げることになり得る。また,電機子鉄心６を金型で打ち抜いた際には、電磁鋼板が薄いほど１枚毎の変形率が高くなる。そこで本発明モータでは、鉄心材の弾性限度値と電機子２の外径値から求められる弾性限度から、電機子鉄心６に用いる電磁鋼板の厚さは固定子鉄心５に用いる電磁鋼板の厚さの1/４を下限に設定した。

最後に、本発明で用いた鉄心材Ａと鉄心材Ｂでは、周波数に対する鉄損特性も異なっている。図１０に、鉄心材Ａと鉄心材Ｂにおけるエプスタイン試験装置にて測定した周波数と鉄損の関係を示す。一般に、電磁鋼板を金型で打ち抜いた際には、打ち抜き形状によってエプスタイン試験装置による鉄損値に対して最大で３割程度大きい値となることが知られている。図１０から鉄心材Ａの鉄損値が鉄心材Ｂに対し３割増加となる周波数は５００Ｈｚ以上となることがわかる。すなわち２極の整流子モータにおいては電機子が３００００ｒ／ｍｉｎ（＝５００×６０）以上であれば、金型で鉄心材を打ち抜いた際に生じる鉄損増加を加味しても確実に本発明の効果を発揮できると言える。

以上、本発明モータの実施内容を説明してきた。鉄心各部の磁束密度に注目し、総ＡＴの大半を消費するヨーク部を有する固定子鉄心には高磁束密度でも磁化特性の良好な鉄心材を、中磁束密度のコアバック部を有する電機子鉄心には、少なくとも中磁束密度で磁化特性の良好で、かつ鉄損が少ない鉄心材を適用することにより、励磁電流が少なく、鉄損を低減した高効率な整流子モータを得ることができる。

１…固定子、２…電機子、３…界磁巻線、４…電機子巻線、５…固定子鉄心、６…電機子鉄心、５−ａ…磁極部、５−ｂ…ヨーク部、６−ａ…歯部、６−ｂ…コアバック部、７…ブラシホルダー、８…ブラシ、９…整流子、１５…ギャップ、２０…シャフト、２１…ハウジング、２２−ａ…出力軸側ベアリング、２２−ｂ…反出力軸側ベアリング、２４…エンドブラケット、３０…ファン、３１…ディフューザ、３２…ケーシング、４０…固定子鉄心分割部、４１…カシメ部、４２…凹凸部、５０…電動送風機。

Claims (10)

1. 電磁鋼板を積層して構成されると共に、その磁極部に界磁巻線を巻装して形成された固定子鉄心と、該固定子鉄心とギャップを有して配設される電機子とを有し、
   前記電機子は、シャフトと、該シャフトに設けられた電機子鉄心及び整流子と、前記電機子鉄心のスロットに巻装されると共に、両端が前記整流子に接続される電機子巻線とを有する整流子モータにおいて、
   前記固定子鉄心と前記電機子鉄心とを互いに異なる材質で構成したことを特徴とする整流子モータ。
2. 電磁鋼板を積層して構成されると共に、その磁極部に界磁巻線を巻装して形成された固定子鉄心と、該固定子鉄心とギャップを有して配設される電機子とを有し、
   前記電磁鋼板を積層して構成すると共に、前記電機子鉄心に用いる電磁鋼板の厚さを、前記固定子鉄心を構成する電磁鋼板の厚さよりも薄くしたことを特徴とする整流子モータ。
3. 電磁鋼板を積層して構成されると共に、その磁極部に界磁巻線を巻装して形成された固定子鉄心と、該固定子鉄心とギャップを有して配設される電機子とを有し、
   前記電機子鉄心は、前記電磁鋼板を積層したことで構成すると共に、前記電機子鉄心を構成する電磁鋼板と固定子鉄心を構成する電磁鋼板とは、互いに磁化特性を異ならせたことを特徴とする整流子モータ。
4. 請求項１乃至３の何れかにおいて、
   前記電機子鉄心を構成する電磁鋼板の厚さは、固定子鉄心を構成する電磁鋼板の厚さの1/４を下限として設定したことを特徴とする整流子モータ。
5. 請求項１乃至３の何れかにおいて、
   同一の磁束密度と周波数における電機子鉄心の単位質量あたりの鉄損が、固定子鉄心のそれよりも小さく設定したことを特徴とする整流子モータ。
6. 請求項１乃至５の何れかにおいて、
   回転速度が３０，０００ｒ／ｍｉｎ以上で運転されることを特徴とする整流子モータ。
7. 請求項１乃至５の何れかにおいて、
   モータ消費電力が９００Ｗ以上とし、モータ質量が１２００ｇ以下としたことを特徴とする整流子モータ。
8. 請求項１乃至７の何れかにおいて、
   前記電機子鉄心のモータ軸方向長さと、固定子鉄心のモータ軸方向長さを互いに異ならせたことを特徴とする整流子モータ。
9. 請求項１乃至７の何れかにおいて、
   前記固定子鉄心は、少なくとも２分割構造としたことを特徴とする整流子モータ。
10. 請求項１乃至７の何れかにおいて、
    前記固定子鉄心は、電磁鋼板同士を積層固定し一体化するためのカシメ部を設け、電機子鉄心は電機子鉄心の内周面とシャフト外周面との摩擦接触により電磁鋼板同士の固定を行ったことを特徴とする整流子モータ。

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