JP2014043818A - 軸流送風機およびそれを搭載した電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】常時換気など小風量が必要な場合は、小風量での送風を実現でき、急速換気など大風量が必要な場合は、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできる軸流送風機を提供することを目的としている。
【解決手段】電動機１１は集中巻きされた固定子４と、偶数本の導体バー５と、各永久磁石６の極間７において対向する極間７の中心を結ぶ極間中心線上の位置に導体バー５を配置する形態により、３次調波成分が多く含有され、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数において生じる回転数一定となるトルク領域が拡大するので、小風量選択時は機外静圧ゼロから最大静圧までの領域で交流の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数にて一定回転で運転する軸流送風機８となり、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできる風量−静圧特性が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にパイプ用ファンや一般型換気扇、業務用や産業用の有圧換気扇等の排気用および給気用の換気装置や、機器組み込み用の冷却用ファンなどに搭載する軸流送風機およびその軸流送風機を搭載した電気機器に関するものである。

近年、換気装置等の電気機器に搭載する電動機においては、低価格化、高効率化、静音化、小型化、薄型化が求められている。さらに、常時換気など小風量が必要な場合は、外風圧など圧力損失の変化があっても、確実に必要最小限の小風量での送風が実現でき、急速換気など大風量が必要な場合は、外風圧、フィルタ等の目詰まりによる圧力損失の変化など、環境影響を大きく受けることなく、最大風量での送風が実現できるような軸流送風機が求められている。

従来、この種の軸流送風機は、特許文献１に開示された構成のものが知られている。

以下、その軸流送風機について図６を参照しながら説明する。

図に示すように、軸流送風機１０８は、ＤＣ電源１０１よりＤＣモータ１０３に電力供給し、ＤＣモータ１０３の回転軸にはプロペラファン１０４を取り付けたものである。そして、定常状態において、ＤＣ電源１０１より定格電圧をＤＣモータ１０３に印加し、静圧ゼロの時の回転数よりも若干低い回転数を所定の回転数として記憶する。外風圧などによって、運転回転数が所定の回転数よりも下がった場合には、ＤＣ電源１０１の出力電圧を定格電圧以上に上昇させ、所定の回転数より低くならないように制御する制御回路１０７を備えた構成としている。

特開平５−２２３０９１号公報

このような従来の軸流送風機によれば、ＤＣ電源や制御回路などを設置するためのスペースを確保するために、小型化、薄型化ができないという課題がある。そして、常時換気など小風量が必要な場合は、外風圧など圧力損失の変化があっても、確実に必要最小限の小風量での送風を実現でき、急速換気など大風量が必要な場合は、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできることが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、ＤＣ電源や、マイクロコンピュータを搭載した制御回路を使用することなく、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少を抑制した小風量送風と、大風量送風の両方が実現できる軸流送風機を提供することを目的としている。

そして、この目的を達成するために、本発明は、商用交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、回転軸と、この回転軸の少なくとも一端に接続したプロペラファンと、前記回転軸の外周に一体化され、複数の導体バーを有するかご形回転子と、このかご形回転子に対向して位置し、電機子巻線を固定子鉄心の各ティースに集中巻きした固定子とを備えた軸流送風機であって、前記かご形回転子には、前記導体バーを前記固定子との間に挟む位置に永久磁石を配し、前記交流電源接続手段のうち一つの接続手段は大風量用接続手段で、その他の接続手段は小風量用接続手段であり、前記商用交流電源が前記大風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数で一定運転し、前記商用交流電源が前記小風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で一定運転することを特徴とする軸流送風機としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、商用交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、回転軸と、この回転軸の少なくとも一端に接続したプロペラファンと、前記回転軸の外周に一体化され、複数の導体バーを有するかご形回転子と、このかご形回転子に対向して位置し、電機子巻線を固定子鉄心の各ティースに集中巻きした固定子とを備えた軸流送風機であって、前記かご形回転子には、前記導体バーを前記固定子との間に挟む位置に永久磁石を配し、前記交流電源接続手段のうち一つの接続手段は大風量用接続手段で、その他の接続手段は小風量用接続手段であり、前記商用交流電源が前記大風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数で一定運転し、前記商用交流電源が前記小風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で一定運転することを特徴とする軸流送風機の構成としたものである。このような構成により、常時換気など小風量が必要な場合は、外風圧などの影響により、ファン負荷が増加しても、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で運転するので、小風量での送風を実現できる。また、急速換気など大風量が必要な場合は、外風圧などの影響により、ファン負荷が増加しても、商用交流電源の電源周波数に同期して回転数一定で運転する。このように、マイクロコンピュータや特別な制御回路を使用することなく、送風量の減少が少なくできる軸流送風機および電気機器が提供できるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における軸流送風機を示すブロック図 同電動機の構成を示す分解斜視図 同電動機の回転数−トルク特性の一例を示すグラフ 同軸流送風機の風量−静圧特性の一例を示すグラフ 同軸流送風機を搭載した換気装置の設置状態を示す断面図 従来の軸流送風機を示すブロック図

本発明の請求項１記載の軸流送風機は、商用交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、回転軸と、この回転軸の少なくとも一端に接続したプロペラファンと、前記回転軸の外周に一体化され、複数の導体バーを有するかご形回転子と、このかご形回転子に対向して位置し、電機子巻線を固定子鉄心の各ティースに集中巻きした固定子とを備えた軸流送風機であって、前記かご形回転子には、前記導体バーを前記固定子との間に挟む位置に永久磁石を配し、前記交流電源接続手段のうち一つの接続手段は大風量用接続手段で、その他の接続手段は小風量用接続手段であり、前記商用交流電源が前記大風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数で一定運転し、前記商用交流電源が前記小風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で一定運転することを特徴とする軸流送風機の構成を有する。これにより、常時換気など小風量が必要な場合は、外風圧などの影響により、ファン負荷が増加しても、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で運転するので、小風量での送風を実現できる。また、急速換気など大風量が必要な場合は、外風圧などの影響により、ファン負荷が増加しても、商用交流電源の電源周波数に同期して回転数一定で運転する。このように、マイクロコンピュータや特別な制御回路を使用することなく、送風量の減少が少なくできるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１〜図５に示すように、軸流送風機８は、電動機１１を搭載し、この電動機１１の回転軸であるシャフト９にプロペラファン８ａを取り付け、商用交流電源接続手段１６を介して商用交流電源に接続されている。換気装置１は、軸流送風機８を内蔵している。軸流送風機８によって吸い込まれた、煙草の煙や調理等で発生した汚れた室内空気は換気装置１の吸込み口より吸込まれ、建物の壁１４を貫通して屋外に排出される。電動機１１は、電機子巻線２である主巻線２ａと補助巻線２ｂとをそれぞれ固定子鉄心４ａのティース１７に集中巻きした固定子４と、この固定子４に対向して回転自在に保持されたかご形回転子３と、運転コンデンサと、始動コンデンサ１２と、ＰＴＣサーミスタ１３より構成される。かご形回転子３の中心には回転軸であるシャフト９が圧入されており、外周側にはアルミで形成された複数の導体バー５が設けられている。導体バー５は、スキューされるとともに、その本数は偶数である。そして、かご形回転子３の導体バー５とシャフト９の間には永久磁石６が配置されている。永久磁石６は、異方性のサマリウム・鉄・窒素磁粉と異方性のネオジウム・鉄・ホウ素磁粉を混合したボンド磁石で、径方向の断面形状は略コの字状とし、反凹側を固定子４側に向けるとともに、導体バー５同様にスキューされている。サマリウム・鉄・窒素磁粉の粒径は２〜３μｍで、ネオジウム・鉄・ホウ素磁粉の粒径は５０〜１００μｍである。また、各永久磁石６の極間７において対向する極間７の中心を結ぶ極間中心線上の位置に導体バー５を配置する形態である。この導体バー５の配置と偶数本数形成により、かご形回転子３が回転することで電機子巻線２に誘起される逆起電圧には３次調波成分が多く含有されることになる。運転コンデンサは大風量用運転コンデンサ１０と、小風量用運転コンデンサ１５がある。商用交流電源が商用交流電源接続手段１６の小風量用接続手段１６ａと共通接続手段１６ｃに接続された場合は、小風量用運転コンデンサ１５と大風量用運転コンデンサ１０が直列接続となり、運転コンデンサとしての容量が小さくなる。また、商用交流電源が商用交流電源接続手段１６の大風量用接続手段１６ｂと共通接続手段１６ｃに接続された場合は、小風量用運転コンデンサ１５は電気的には接続されない。従って、運転コンデンサは大風量用運転コンデンサ１０のみとなり、容量は大風量用運転コンデンサ１０の容量そのままとなり、始動コンデンサ１２は同期運転状態において、ＰＴＣサーミスタ１３によって切り離される。そして、軸流送風機８は小風量が選択された時には、機外静圧ゼロから最大静圧（風量ゼロ）までの領域で商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で一定運転する。一方、大風量が選択された時には、機外静圧ゼロから最大静圧（風量ゼロ）までの領域で商用交流電源の電源周波数に同期した回転数にて一定回転で運転する構成である。

このような本発明の軸流送風機８によれば、図３の回転数−トルク特性のグラフに示すように、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数において、所定のトルク領域にて回転数一定の特性が生じることとなる。商用交流電源が小風量用接続手段１６ａに接続された場合は、運転コンデンサの容量が小さいので、電動機１１の回転数−トルク特性はトルクが低下する。そして、プロペラファン８ａの負荷カーブの交点である商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で一定運転する。また、商用交流電源が大風量用接続手段１６ｂに接続された場合は、運転コンデンサの容量が大きい。従って、始動時は導体バー５に誘導電流が発生することで滑りに対応した回転トルクが発生して動作した後、永久磁石６の磁力と固定子４の電機子巻線２による電磁石の磁力の吸引力によって回転するモードへ移行する。そして、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数にて一定回転で運転する。このように、軸流送風機８を搭載する換気装置１では、ＤＣ電源や、マイクロコンピュータを搭載した制御回路を使用することなく、図４の風量−静圧特性のグラフに示すように、常時換気が選択された場合も、急速換気が選択された場合も、所定の回転数での一定運転となる。すなわち、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできる風量−静圧特性が得られる。

また、電動機１１は、固定子鉄心４ａのティース１７に集中巻きするとともに、導体バー５の本数を偶数本とし、各永久磁石６の極間７において対向する極間７の中心を結ぶ極間中心線上の位置に導体バー５を配置している。この構成により、かご形回転子３が回転することで電機子巻線２に誘起される逆起電圧には３次調波成分が多く含有されることになる。従って、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数において生じる回転数一定となるトルク領域が拡大することとなり、小風量であっても、高静圧化を実現した軸流送風機が得られる。

また、導体バー５と永久磁石６はスキューされているので、電源投入時など誘導機としての動作から、同期機としての動作への移行が滑らかとなる。さらに、同期運転時のトルクリプルも小さくなるため、低振動・低騒音化を実現した軸流送風機が得られる。

また、永久磁石６の径方向の断面形状を略コの字状とし、反凹側を固定子４側に向けているので、かご形回転子３が回転することで電機子巻線２に誘起される逆起電圧には３次調波成分がより一層多く含有されることになる。そのため、商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数において生じる回転数一定となるトルク領域が一段と拡大することとなり、小風量であっても、より一層の高静圧化を実現した軸流送風機が得られる。

また、永久磁石６は磁粉粒径の小さい異方性のサマリウム・鉄・窒素磁粉と、磁粉粒径の大きな異方性のネオジウム・鉄・ホウ素磁粉を混合したボンド磁石としている。そして、磁粉の充填率が向上することで、磁束密度が高くなる。さらに、ネオジウム・鉄・ホウ素磁粉がサマリウム・鉄・窒素磁粉の磁化反転を抑制する。そのため、保持力が向上し、電源周波数に同期して回転するトルクが高くなるため、プロペラファン８ａは開放時の負荷カーブと閉切り時の負荷カーブの差を大きくとることが可能となる。従って、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が極めて少なくできる軸流送風機が得られる。

なお、本実施の形態１では、始動コンデンサ１２とＰＴＣサーミスタ１３とを設ける構成としたが、誘導機としての始動から同期運転への移行に影響が無ければ、始動コンデンサ１２とＰＴＣサーミスタ１３とを設けない構成としても良く、その作用効果に差異は生じない。

以上のように、本発明にかかる軸流送風機は、小風量による確実な送風、および、電源周波数に同期した回転数にて一定運転することによって、機外静圧が上昇しても、風量の減少が少ない送風ができることから、ブラシレスＤＣモータや特別な回路を搭載することなく、安価に適切な風量を確保することが要求される電気機器である換気装置、扇風機、冷蔵庫、エアコンなどの空気調和機、冷却ユニットなどへの搭載が有用である。

１ 換気装置
２ 電機子巻線
３ かご形回転子
４ 固定子
５ 導体バー
６ 永久磁石
７ 極間
８ 軸流送風機
８ａ プロペラファン
９ シャフト
１０ 大風量用運転コンデンサ
１１ 電動機
１２ 始動コンデンサ
１３ ＰＴＣサーミスタ
１４ 壁
１５ 小風量用運転コンデンサ
１６ 商用交流電源接続手段
１６ａ 小風量用接続手段
１６ｂ 大風量用接続手段
１６ｃ 共通接続手段
１７ ティース

Claims (6)

1. 商用交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、
   回転軸と、
   この回転軸の少なくとも一端に接続したプロペラファンと、
   前記回転軸の外周に一体化され、複数の導体バーを有するかご形回転子と、
   このかご形回転子に対向して位置し、電機子巻線を固定子鉄心の各ティースに集中巻きした固定子とを備えた軸流送風機であって、
   前記かご形回転子には、前記導体バーを前記固定子との間に挟む位置に永久磁石を配し、
   前記交流電源接続手段のうち一つの接続手段は大風量用接続手段で、
   その他の接続手段は小風量用接続手段であり、
   前記商用交流電源が前記大風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数で一定運転し、
   前記商用交流電源が前記小風量用接続手段に接続された場合は、機外静圧ゼロから機外静圧が略最大になるまでの範囲で前記商用交流電源の電源周波数に同期した回転数の３分の１の回転数で一定運転することを特徴とする軸流送風機。
2. 前記導体バーの本数は偶数とするとともに、前記永久磁石の極間中心線上の位置に前記導体バーが配置されていることを特徴とする請求項１記載の軸流送風機。
3. 前記導体バーと前記永久磁石はスキューされていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の軸流送風機。
4. 前記永久磁石は異方性のサマリウム・鉄・窒素磁粉と異方性のネオジウム・鉄・ホウ素磁粉を混合したボンド磁石であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の軸流送風機。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の軸流送風機を搭載した電気機器。
6. 請求項５記載の電気機器は換気装置、扇風機、冷蔵庫、空気調和機、冷却ユニットのいずれかであることを特徴とする電気機器。

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