JP2014155315A - 交流整流子電動機、および、それを用いた電動送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明では、整流子を設けた交流整流子電動機において、整流悪化の原因となる電機子反作用を低減し、整流性能を向上すると同時に、効率の向上も実現することを目的とする。
【解決手段】
略環状のヨーク部１１と、該ヨーク部の内側に対向するように形成される一対の磁極部１２と、該磁極部に巻装される界磁コイル１４と、からなる固定子１と、前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフト６と、該シャフトに固定された電機子鉄心２１と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティース２３に巻装される電機子コイル２２と、該電機子コイルに接続された整流子２５と、からなる電機子２と、前記整流子と機械的に接触することで電気的に接触される一対のカーボンブラシ７と、を有した交流整流子電動機であって、各磁極部には、中央部近傍に穴１５を有するとともに、少なくとも反回転方向（増磁部）の磁極部にも穴１７を設ける。
【選択図】図４Ｄ

Description

本発明は、交流整流子電動機に関し、特に電気掃除機、電動工具用電動機等に使用される交流整流子電動機の固定子構造に関するものである。

電気掃除機及び電動工具用の交流整流子電動機は、主に、環状の固定子と、この環状の内側に対向して形成される磁極部間に配置される電機子で構成される。この種の交流整流子電動機では、常に小型、軽量、高効率化、ブラシの長寿命化が要求されている。その中でも高磁束密度で使用される電動機では、とりわけ高効率化とブラシの長寿命化と達成するために、電機子反作用を低減することが望まれている。

電機子反作用は、回転する電機子が発生させる磁界が固定子の磁極部から発生する磁界に対して影響を与える現象であり、これが交流整流子電動機の高効率化とブラシの長寿命化に関して悪影響を及ぼしている。

この電機子反作用を低減するための技術として、固定子鉄心の磁極部中心に単一のスリットを設ける構造が提案されている（特許文献１、図１等）。また、電機子反作用を低減する別の方法として、磁極部を非対称の形状とすると共に、複数のスリットを設ける構造が提案されている（特許文献２、図１等）。

一方、磁極部にスリットを設ける別の理由として、固定子の軽量化を図るために電機子反作用を利用し、電機子の回転進行方向側（磁極の減磁側）に複数の貫通穴を設ける構造が提案されている（特許文献３、図４等）。

特開２００５−２０９３１号公報 特開平６−６９４３号公報 特開２００３−１５３４７１号公報

交流整流子のトルクは、固定子からの界磁磁束と電機子からの電機子磁束の和に、電機子コイルに流れる電流と電機子コイルの巻数とを乗じた値に比例する。ここで、電機子反作用の影響で界磁磁束と電機子磁束の和が時々刻々と変化するため、トルクも変動し脈動となる。特許文献１では単一のスリットを磁極部の中心に設けて電機子反作用を低減させ、特許文献２では磁極部を非対称の形状とすると共に複数のスリットを設けて電機子反作用を低減させることで、トルクの脈動を抑制している。

しかし、上述した従来技術では電機子反作用は低減できるが、スリットを設けたことにより磁極部の磁気飽和が大きくなり、必要なトルクを得るための電流値が大きくなる。電流値の増加は銅損の増加となり、高効率化には至らない。また電流の増加は、整流コイルのリアクタンス電圧の増加となりカーボンブラシと整流子との間に火花が発生し、ブラシの長寿命化には至らない。

あるいは、磁極部の磁気飽和を低減するために磁極幅を広げると界磁コイルの全長が長くなり、銅損の増加し高効率には至らない。

一方、特許文献３では軽量化のために貫通穴を設けている。しかし、穴の位置は磁束密度の低い回転進行方向側（磁極の減磁側）であり、高効率化とブラシの長寿命化には至らない。

本発明の目的は、電機子反作用を十分に低減しつつ、トルクと整流性能の向上を実現することができる交流整流子電動機を提供することにある。

上記課題は、略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内側に対向するように形成される一対の磁極部と、該磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、前記整流子と機械的に接触することで電気的に接触される一対のブラシと、を有した交流整流子電動機であって、各磁極部には、中央部近傍に穴を有するとともに、少なくとも反回転方向（増磁部）の磁極部にも穴を設ける。さらに、前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動していることを特徴とする整流子電動機によって解決することができる。

本発明によれば、電機子反作用を低減して主磁束の量を増加できるため、トルクと整流性能の向上できる交流整流子電動機を提供することができる。

実施例１の電気掃除機用電動送風機の構造を示す断面図。 実施例１の磁極部に穴を配置した固定子と電機子の断面図。 実施例１の磁極部に穴を配置した固定子と電機子の１／２断面図。 比較例１の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。 比較例２の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。 比較例３の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。 実施例１の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。 磁界解析シミュレーション結果。 実施例２Ａの磁極の穴部に開口部を配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例２Ｂの磁極の穴部に開口部を配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例２Ｃの磁極の穴部に開口部を配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例３の磁極部に穴を、先端部に段差を配置した固定子と電機子の１／２断面図。

本発明の実施例を、図１〜図７を用いて説明する。なお、ここでは電気掃除機に用いられる電動送風機を実施例として述べるが、この電動送風機は他の用途に用いても良い。

図１は、実施例１の電気掃除機用の電動送風機１００の構造断面図である。電動送風機１００は、電動機（交流整流子電動機）１０１と送風機１０２から構成される。

電動機１０１は、ハウジング３の内側に固定された固定子１、ハウジング３の軸受け５ａ、エンドブラケット４の軸受け５ｂ、両軸受け間に回転自在に保持されるシャフト６、シャフト６に固定された電機子鉄心２１と整流子２５、電機子鉄心２１の電機子スロットＳ中に巻装された電機子コイル２２が整流子２５に接続された電機子２、および、整流子２５と機械的接触によって電気的接続を行うカーボンブラシ７と、カーボンブラシ７を保持すると共にハウジング３に固定するためのブラシホルダ８とからなる。

また、整流子２５は、複数の整流子片２５ａを有し、各整流子片２５ａは電機子２内の電機子コイル２２と接続されている。カーボンブラシ７は、バネ８１により整流子２５に押し付けられ、整流子２５に摺接している。８２はカーボンブラシ７を外部電極に接続するためのリード線であり、ブラシホルダ８に設けられた端子（図示せず）と接続されている。

一方、送風機１０２は、ナット３０によりシャフト６の一端に固定される遠心ファン３１、遠心ファン３１から出た空気流の速度を落とし圧力回復するディフューザ３２、ディフューザ３２と一体に成形された空気流を電動機１０１内へ導くリターンガイド３３、遠心ファン３１とディフューザ３２を覆うファンケーシング３４によって構成される。

電動送風機１００を運転すると電機子２が回転し、電機子２と同軸に固定された遠心ファン３１も回転する。遠心ファン３１が回転するとファンケーシング３４の空気吸引口３５から空気が流入し、遠心ファン３１、ディフューザ３２、リターンガイド３３を通り電動機１０１内部へと流れ込む。流れ込んだ空気は、電動機１０１を冷却しつつ排出される。

図２は、固定子１と電機子２の構造断面図を示す。固定子１は、略円環状のヨーク部１１とその内周側に対向するように形成される一対の磁極部１２とからなる固定子鉄心１３を積層したもの（固定子鉄心積層体）と、磁極部１２に巻装される界磁コイル１４とから構成される。また、対向する一対の磁極部１２の間に配置される電機子２は、複数のＴ字型のティース２３を有する電機子鉄心２１と、ティース２３によって形成されている電機子スロットＳ１〜Ｓ１２に巻装される電機子コイル２２とから構成される。なお、本実施例では、ティース２３の本数を１２本とした例を説明するが、ティース２３の本数はこれに限られるものではない。

また、図２に示すように、各磁極部１２の中央部近傍に穴１５を形成する。穴１５の内周側、中央部、外周側にそれぞれ薄肉の磁極部１２を残し、それぞれの薄肉部の磁極部を磁気ブリッジ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと称する。形成した磁気ブリッジの厚さは、固定子鉄心１３の積層体に界磁コイル１４を巻装工程と、ハウジング３に固定子１を圧入する際に、磁気ブリッジ１６が変形しない厚みにする。磁気ブリッジ１６の厚みは穴１５の径方向の長さよりも薄肉であれば良いが、ここでは一例として、磁気ブリッジ１６の厚みを０．５ｍｍとしている。これは磁気ブリッジを１６の厚さを薄く設定することで、磁路幅が狭くなり磁気飽和し易くなるため、電機子反作用を遮断するためである。

さらに、磁極部１２の回転の後進側（増磁側）に穴１７を形成する。穴１７の内周側の磁極部１２の薄肉部を磁気ブリッジ１８ａ、穴１７の間の薄肉部を磁気ブリッジ１８ｂ、１８ｃと称する。磁気ブリッジ１８ａの厚みは穴１７の径方向の長さよりも薄肉であれば良く、磁気ブリッジ１８ｂ、１８ｃの厚みは穴１７の周方向の長さよりも薄肉であれば良いが、ここでは一例として、磁気ブリッジ１８ａの厚みを０．７５ｍｍ、磁気ブリッジ１８ｂと磁気ブリッジ１８ｃの厚みを０．５ｍｍとしている。これは磁気ブリッジ１８の厚さを薄く設定することで、磁極部１２の回転の後進側（増磁側）の磁束の流れを制御するためである。

図３は図２の要部断面図である。電機子２の中心から上下左右に引いた軸のうち右側の軸を０°とし、その他の軸を回転方向へ順に９０°、１８０°と定義する。ティース２３の本数が１２本であるので、各スロットピッチは３０°となる。この場合、穴１５の外周側の回転中心から成す角度を３０°以下とすることが好まく、穴１５の内周側の角度はスロットピッチの半分である１５°以下とすることが好ましい。ここでは穴１５の回転中心から成す角度を外周側の２０°、内周側１０°と設定した。

また、磁極部１２の回転後進側に穴１７を設けている。穴１７の位置は、９０°軸より反回転方向にスロットピッチである３０°程度ずらした付近に成形することが好ましい。ここでは基準軸より６０°、６３°、６６°の位置に成形した。

なお、ここでは、スロットピッチが３０°、穴１５の外周側の角度が２０°、内周側の角度が１０°、穴１７の位置を基準軸より６０°、６３°、６６°とする例を示したが、下記要件１〜３を満たせば同様の効果を得ることができる。
（要件１）穴１５の外周側の角度がスロットピッチより小さく、穴１５の内周側の角度がスロットピッチの半分より小さい。
（要件２）穴１７が９０°軸より反回転方向にスロットピッチの角度程度ずれた位置にある。具体的には、９０°軸より反回転方向にスロットピッチ±スロットオープン開度の範囲内に穴１７が設けられ、例えば、図３では、９０°軸から３０°±７°反回転方向にある２３°〜３７°の位置に穴１７が設けられる。
（要件３）ティース２３から見て、回転に伴って〔９０°軸−スロットピッチの角度〕から９０°の範囲（本実施例では６０〜９０°）で、磁気ブリッジの個数が漸次増加する構造となっている（例えば、図３では、９０℃軸−１ティース分の角度の位置では、ティース２３の延長線上に磁気ブリッジ１６ｃのみが存在し、ティース２３が回転すると、漸次、ブリッジ１６ａ、ブリッジ１６ｂが増加）。

図４は電機子コイル２２に電流を流した時の磁束の流れである。図４Ａは穴１５と穴１７が無く、カーボンブラシ７を幾何学中性軸に置いた比較例１の場合である。この場合、電機子反作用磁束は磁極部１２のみを通ることが知られている。電機子反作用磁束は磁極部１２で界磁磁束（一部しか図示せず）と合成されるため、回転進行方向の磁極部１２が減磁、反回転方向の磁極部１２が増磁となる。この条件ではカーボンブラシ７と整流子２５の間にブラシ火花が発生し、ブラシ寿命は短くなる。

図４Ｂは比較例２であり、比較例１の条件に、ブラシ位置を反回転方向に移動し（例えば３０°）、主磁束を利用してブラシ火花の発生を制御している（整流子２５と電機子コイル２２の接続位置を移動しても良い）。この場合、カーボンブラシ７を反回転方向に移動しているので、電機子反作用磁束が磁極部１２の周囲に留まらず、ヨーク部１１を通り、界磁コイル１４による主磁束の反対方向に磁束が流れる。ここで示したように、主磁束の反対方向に磁束が流れると、界磁磁束と電機子磁束の和が小さくなりトルクが低下する。また、電機子の回転に伴い電機子磁束が周期的に変化するため、トルク脈動が発生する。つまり、図４Ｂの構成によれば、火花の発生を抑制できるが、トルク特性が悪化してしまう。

図４Ｃは比較例３であり、比較例２の条件に、穴１５を設けた時の電機子反作用による磁束の流れを示す。ここに示すように、薄肉の磁気ブリッジ１６が磁気飽和することで電機子反作用磁束が抑制されるが、ヨーク部１１を通る電機子反作用が残存する。

次に、本実施例の構成を用いた場合について説明する。図４Ｄはカーボンブラシ７を反回転方向に移動させると共に、穴１５と穴１７を設けたときの電機子反作用による磁束の流れを示す。図４Ｄでは、シャフト６の軸方向から見たとき、穴１７が設けられる位置と、カーボンブラシ７の弧の中央の位置（すなわち、シフト量）が略一致している例を示すが、両者が必ずしも一致している必要は無く、カーボンブラシ７が穴１７と同じく９０°軸よりも反回転方向に移動していればよい。ここに示すように、薄肉の磁気ブリッジ１６が磁気飽和することで電機子反作用磁束が抑制さる。さらに薄肉の磁気ブリッジ１８が磁気飽和することで電機子反作用磁束が比較例３よりも抑制され、ヨーク１１を通る電機子反作用磁束が減少する。

図５は磁界解析シミュレーションによる、固定子１と電機子２の空隙部（以下、ギャップと称す）の磁束密度分布である。図４に示したモデルを商用電源（５０Ｈｚ−１００Ｖ）で駆動時の結果である。３０°毎の矩形波は、ティース２３のピッチによるものである。一般に、電機子反作用が低減するとギャップの磁束密度分布の波形は、最大値と最小値の差が低減され実効値が増加する。そして、実効値が増加するとトルク特性が向上するので、最大値と最小値の差が小さいほどトルク特性が向上することになる。

図５（ａ）は比較例２の解析結果である。比較例２は磁極部１２に穴１５と穴１７が無く、カーボンブラシ７を反回転方向に移動している。磁束密度の実効値は０．５４８［Ｔ］と低いが、最大値と最小値の差は２．０４［Ｔ］と大きい。

図５（ｂ）は比較例３の解析結果である。比較例３は磁極部１２に穴１５があり、カーボンブラシ７を反回転方向に移動している。その解析結果の特長は、図５（ａ）と比較して、磁束密度の実効値は０．５４９［Ｔ］と大きく、最大値と最小値の差は２．００［Ｔ］と小さくなっている。これは、薄肉の磁気ブリッジ１６が磁気飽和することにて、電機子反作用を軽減したことによる。

次に、本実施例の構成を用いた場合について説明する。図５（ｃ）は磁極１２に穴１５と穴１７を成形することにて、磁気ブリッジ１６と磁気ブリッジ１８とを設け、さらにカーボンブラシ７を反回転方向に移動させたときの解析結果である。その解析結果の特長は、磁束密度の実効値は０．５５５〔Ｔ〕と最も大きく、かつ最大値と最小値の差が１．９７〔Ｔ〕と最も小さいことである。これは薄肉の磁気ブリッジ１６が磁気飽和しても残存する電機子反作用の磁路を、薄肉の磁気ブリッジ１８を設けることにて磁気飽和させ遮断するため、電機子反作用を最も軽減することができる。先に説明したように、最大値と最小値の差が小さいほどトルク特性が向上することから、図５（ａ）〜図５（ｃ）の中では、図５（ｃ）のように、スリット１５とブラシシフトを設けた構成としたときにトルク特性が最も良くなることが分かる。

なお、穴１５または穴１７の内部に非磁性体を充填する構成としても良い。この構成を用いることで、上述した電機子反作用を抑制しつつ、固定子鉄心１３の機械的強度を高めることができる。

また、固定子鉄心積層体の全ての固定子鉄心１３に穴１５や穴１７を設ける必要はなく、穴１５または穴１７を有さない固定子鉄心１３を適宜混在させて積層する構成としても良い。この構成を用いることで、製造時の圧力に対する強度と電動機の振動に対する耐力を高めることができる。

図６は、実施例２を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図６Ａに示すように、実施例２Ａでは、図３で示した磁気ブリッジ１６ａ、１６ｂを削除し、磁極部１２の中央近傍部に設けた穴１５の内周側に開口部４０を設けたものである。開口部４０により穴１５から磁極部１２の内周面は連通している。

同様に、図６Ｂに示すように、実施例２Ｂでは、図３で示した磁気ブリッジ１６ｂ、１６ｃを削除し、磁極部１２の中央近傍部に設けた穴１５の外周側に開口部４０を設けたものである。開口部４０により穴１５から磁極部１２の外周面は連通している。

さらに、図６Ｃに示すように、実施例２Ｃでは、図３で示した磁気ブリッジ１６ａ、１６ｃを削除し、磁極部１２の中央近傍部に設けた穴１５の内外周側に開口部４０を設けたものである。開口部４０により穴１５から磁極部１２の内外周面は連通している。

実施例２Ａ〜２Ｃの何れの場合も、磁気ブリッジ１６の個数を減らすことで磁気抵抗が大きくなるため、実施例１より磁束を遮断することができ、電機子反作用を更に抑制できる。同様に穴１７の内周側または外周側に開口部４０を設けても、電機子反作用を抑制することができる。

図７は、実施例３を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図７に示すように、実施例３では、磁極部１２の先端部の電機子２に対向する面の先端に段差を設けた構造になっている。これは磁極部１２の先端を薄肉とすることで磁気抵抗を増加させ、電機子磁束が磁極部１２に流れ難くし電機子反作用抑制している。また、磁局部１２の先端が飽和することにて、磁極部の先端までの極弧度αと、飽和していない磁極部までの極弧度βを有することになり、整流時の極弧度を制御し、ブラシの長寿命化につながる。さらに、電機子２と対向する面のギャップ長を拡大することで、回転に伴うティース２３のＴ字部の磁束密度の急峻な変化を抑制している。

１ 固定子
２ 電機子
７ カーボンブラシ
１１ ヨーク部
１２ 磁極部
１３ 固定子鉄心
１４ 界磁コイル
１５ 穴（中央部近傍）
１６ 磁気ブリッジ（中央部近傍）
１７ 穴（回転の後進側）
１８ 磁気ブリッジ（回転の後進側）
２１ 電機子鉄心
２２ 電機子コイル
２３ ティース
２５ 整流子
２５ａ 整流子片
Ｓ１〜Ｓ１２ 電機子スロット

Claims (7)

1. 略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内周側に対応するように形成される一対の磁極部と、からなる固定子鉄心を軸方向に積層した固定子鉄心積層体と、
   該固定子鉄心積層体の積層された磁極部に巻装される界磁コイルと、
   から構成される固定子と、
   前記一対の磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、
   該シャフトに固定された電機子鉄心と、
   該電機子鉄心の外周側に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、
   該電機子コイルに接続された整流子と、
   から構成される電機子と、
   前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシと、
   を具備する交流整流子電動機であって、
   前記磁極部には、中央部近傍に第１の穴を設け、該第１の穴よりも反回転方向に第２の穴を設け、
   前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動していることを特徴とする整流子電動機。
2. 前記磁極部において、
   前記第１の穴よりも回転方向には穴を設けず、
   前記シャフトの軸方向から見たとき、
   前記第１の穴の径方向の長さよりも薄肉の磁気ブリッジが前記第１の穴の内周方向または外周方向に設けられるとともに、
   前記第２の穴の周方向の長さよりも薄肉の磁気ブリッジが前記第２の穴の回転方向または反回転方向に設けられることを特徴とする請求項１に記載の整流子電動機。
3. 前記第１の穴の内周側または外周側は開口していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の整流子電動機。
4. 前記第１の穴または前記第２の穴の内部に、非磁性の充填材を有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の整流子電動機。
5. 前記固定子鉄心積層体には、前記第１の穴、または、前記第２の穴を有さない固定子鉄心が含まれていることを特徴とする請求項１から請求項３何れか一項に記載の整流子電動機。
6. 磁極部の磁極片部の電機子側の先端部に段差部を設けたことを特徴とする、請求項１から請求項５何れか一項に記載の整流子電動機。
7. 請求項１から請求項６の何れか一項に記載された整流子電動機と、
   該整流子電動機によって駆動される送風機と、
   からなることを特徴とする電動送風機。