JP2018123814A - 電動送風機および電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】ベアリングを長持ちさせることができる電動送風機およびこれを備えた電気掃除機を提供する。
【解決手段】電動送風機は、遠心ファンと、遠心ファンを回転させる電動機とを具備した電動送風機である。電動機は、ロータ21と、ステータ22と、ベアリング29，30とを備える。ロータ21は、シャフト26、および、円筒状の焼結磁石製の磁石部27を有する。シャフト26は、遠心ファンと接続される。磁石部27は、シャフト26に同軸状に設けられ複数の回転磁極を構成する。ステータ22は、ロータ21の磁石部27の周囲に配置され、固定磁極を構成する。ベアリング29，30は、ロータ21のシャフト26の両端側をそれぞれ回転自在に保持する。ベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2よりも磁石部27の外径寸法DMが小さい。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、ファンと、このファンを回転させる電動機とを有する電動送風機およびこれを備えた電気掃除機に関する。

従来、例えばブラシレスモータは、環状のステータと、このステータの中央部に配置されるロータとを備え、ロータの出力軸となる回転軸であるシャフトの両端側がベアリングによってそれぞれ回動自在に保持されて構成されている。ロータは、シャフトと同軸状に、円筒状の磁石部を備えている。この磁石部は、ステータの極間に位置し、このステータの極に順次形成される磁極と磁石部の磁極との反発・吸引によってロータが回転するように構成されている。

このようなブラシレスモータを、例えば電気掃除機などに用いられる電動送風機に適用する場合、ロータの高速回転が必要となることから、ベアリングの負荷が大きい。また、ファンの回転により生じる風圧によってシャフトがファン側へと軸方向に引っ張られることで、ベアリングに加わる負荷はより大きくなる。この点、ファンの回転により生じる冷却風をベアリングに当ててベアリングを冷却することで、上記の負荷に対するベアリングの寿命を確保することが考えられる。しかしながら、ロータの磁石部の径寸法が大きい場合、この磁石部とステータの極間との隙間を通過する冷却風がそのままベアリングの外方を素通りし、冷却風を効果的に当てることが容易でない。また、磁石部の径寸法が大きい場合、シャフトの中心軸に対する磁石部の回転アンバランス量が増大することで、回転時の振動や騒音が増大することが懸念される。特に、磁石部を構成する磁石がボンド磁石である場合、充分な磁力を得るために磁石部を大きくする必要があり、磁石部の小型化が容易でない。

特開２０１４−１９５３３６号公報 国際公開第２０１２／１０１８９６号

本発明が解決しようとする課題は、ベアリングを長持ちさせることができる電動送風機およびこれを備えた電気掃除機を提供することである。

実施形態の電動送風機は、ファンと、このファンを回転させる電動機とを具備した電動送風機である。電動機は、ロータと、ステータと、ベアリングとを備える。ロータは、回転軸、および、円筒状の焼結磁石製の磁石部を有する。回転軸は、ファンと接続される。磁石部は、回転軸に同軸状に設けられ複数の回転磁極を構成する。ステータは、ロータの磁石部の周囲に配置され、固定磁極を構成する。ベアリングは、ロータの回転軸の両端側をそれぞれ回転自在に保持する。そして、ベアリングの外径寸法よりも磁石部の外径寸法が小さい。

一実施形態の電動送風機の一部を示す断面図である。 同上電動送風機のステータの一部を示す平面図である。 同上電動送風機の分解斜視図である。 同上電動送風機を一部を切り欠いて示す斜視図である。 同上電動送風機を備えた電気掃除機を示す斜視図である。

以下、一実施形態の構成を、図面を参照して説明する。

図３および図４において、11は電動送風機を示す。この電動送風機11は、電動機13を備える。また、この電動送風機11は、ファンである遠心ファン14を備える。さらに、この電動送風機11は、整流体(整流板)であるディフューザ15を備える。また、この電動送風機11は、ファンカバー16を備える。そして、この電動送風機11(電動機13)は、図示されない制御回路により駆動が制御される。

電動機13は、本実施形態においては、単相４極のブラシレスモータである。そして、この電動機13は、ロータ21を備えている。また、この電動機13は、ステータ22を備えている。さらに、この電動機13は、センサ基板23を備えている。また、この電動機13は、フレーム24を備えている。なお、以下、図４に示す上下方向および左右方向を、電動送風機11(電動機13)の上下方向および左右方向とし、電動送風機11の軸方向の電動機13側を後方向(図４などに示す矢印RR側)、遠心ファン14側を前方向(図４などに示す矢印FR側)として説明する。

ロータ21は、回転磁極を形成するものである。このロータ21は、本実施形態では永久磁石型ロータである。このロータ21は、シャフト26を備えている。また、このロータ21は、磁石部27を備えている。さらに、このロータ21は、少なくとも１つのスリーブ28を備えていてもよい。そして、このロータ21は、一対のベアリング29，30を介してフレーム24に対して回転自在に保持されている。

シャフト26は、電動機13の出力軸となる回転軸である。このシャフト26には、遠心ファン14が接続されている。具体的に、このシャフト26には、フレーム24から突出した前端側に遠心ファン14が接続されている。

磁石部27は、焼結磁石、本実施形態では焼結ネオジム磁石により円筒状に形成され、中央部にシャフト26が固着されている。すなわち、この磁石部27は、シャフト26と同軸状に配置されている。この磁石部27には、回転方向(周方向)に互いに異なる極性を有する磁極(回転磁極)が隣接して形成されている。したがって、この磁石部27には、回転方向にＮ極とＳ極とが順次交互に配置されて対をなしている。

スリーブ28は、本実施形態では一対備えられ、磁石部27の前端部および後端部に隣接してシャフト26に固定されている。なお、このスリーブ28は、必須の構成ではない。

ベアリング29，30は、シャフト26の一端側および他端側に取り付けられており、フレーム24にそれぞれ固定されて、ロータ21をフレーム24に対して回転自在に保持するようになっている。これらベアリング29，30は、それぞれ径方向に大きく軸方向に小さい、すなわち扁平な円筒状に形成されている。

図１ないし図４に示すステータ22は、ロータ21を回転させる固定磁極を構成するものである。このステータ22は、ステータコア33を備えている。また、このステータ22は、絶縁体であるステータ絶縁34を備えている。さらに、このステータ22は、コイル35を備えている。また、このステータ22は、端子36を備えている。

ステータコア33は、電磁鋼板などの薄板状の磁性体が積層されて略一定の厚みを有する板状に形成されている。このステータコア33は、ヨーク部としての円環状(円筒状)のバックヨーク41を備えている。また、このステータコア33は、３以上、本実施形態では４つのティース42を備えている。さらに、このステータコア33は、フレーム取付部43を備えている。また、このステータコア33は、例えば分割部44によって略半円弧状ずつに上下に２分割されていてもよい(図２)。

バックヨーク41は、ティース42間を互いに連結し、対をなすティース42，42に巻回されたコイル35，35によって生じる固定磁極間を磁気的に(磁束で)結合する磁路が形成されるものである。

ティース42は、コイル35により固定磁極が形成されるものである。これらティース42は、左右に位置するティース42，42が磁気的に対をなしている。また、これらティース42は、バックヨーク41の内周部から中心方向、すなわちロータ21側に向けてそれぞれ突設されている。すなわち、このティース42は、バックヨーク41(ステータコア33)の径方向に沿って長手状に形成されており、基端部がバックヨーク41と連結され、先端部が自由端状に突出している。換言すれば、このティース42は、放射状に配置されている。また、各ティース42の先端部には、ロータ21の外周面に対向する磁気作用面42cが構成されている。この磁気作用面42cは、コイル35により各ティース42に形成される固定磁極をロータ21の磁石部27に作用させるもので、ロータ21の磁石部27の外周面に対して僅かな間隙を介して離間されている。したがって、ステータコア33には、各ティース42の磁気作用面42cにより囲まれロータ21の磁石部27の外周面に対して所定の間隙を介して対向して位置する開口部47が中央部に開口されている。

ここで、ロータ21の磁石部27、ベアリング29，30、および、ステータコア33の開口部47の大小関係を説明すると、磁石部27の外径寸法DMがベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2、および、開口部47の内径寸法DSよりも小さい。また、開口部47の内径寸法DSは、ベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2よりも小さい。さらに、ベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2は、互いに略等しい。したがって、本実施形態において、ロータ21の磁石部27の外径寸法DMと、ベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2と、ステータコア33の開口部47の内径寸法DSとは、DM＜DS＜DB1≒DB2の関係を満たしている(図１)。

フレーム取付部43は、ステータコア33(ステータ22)をフレーム24に対して固定するものである。各フレーム取付部43には、軸方向(前後方向)に貫通する取付孔43aが設けられている。この取付孔43aには、取付部材であるねじ49が挿入され、このねじ49がフレーム24側に螺合されることでステータコア33(ステータ22)がフレーム24に固定されるようになっている。

ステータ絶縁34は、ステータコア33に対してコイル35および端子36などを絶縁するものである。このステータ絶縁34は、絶縁性の合成樹脂などにより形成されている。そして、このステータ絶縁34は、コイル35を保持する巻線保持部51を備えている。また、このステータ絶縁34は、端子36を保持する端子保持部52を備えている。さらに、このステータ絶縁34は、バックヨーク41の上下に重ねられる絶縁本体部53を備えている。

巻線保持部51は、角筒状(ボビン状)に形成されており、中心軸に沿って各ティース42が挿通されている。したがって、これら巻線保持部51は、絶縁本体部53の内周側に位置して径方向に沿って突出し、各ティース42の周囲に位置している。

端子保持部52は、後側が開口した四角形箱状に形成されており、端子36の数に対応して本実施形態では４つ設けられている。端子保持部52は、左右に位置するティース42，42間の位置にてバックヨーク41にそれぞれ一対ずつ配置されている。そして、左右に位置する端子保持部52，52が対をなしている。

コイル35は、各ティース42に固定磁極を形成するものである。本実施形態では、例えばステータコア33の中心に対して互いに反対側に位置する(ステータコア33の中心に対して上下左右が反対となる)ティース42，42に配置されたコイル35，35が同極(例えばＮ極、またはＳ極)をこれらティース42，42に形成し、左右に位置するティース42，42に配置されたコイル35，35が互いに異極をティース42，42に形成する。すなわち、本実施形態では、ステータコア33の右上および左下に位置するティース42，42が互いに同極(Ｎ極またはＳ極)で、ステータコア33の左上および右下に位置するティース42，42が互いに同極でかつステータコア33の右上および左下に位置するティース42，42と異極(Ｓ極またはＮ極)となるようにコイル35が配置されている。換言すれば、本実施形態では、ステータ22(ステータコア33)の周方向に交互に異極が生じるようにコイル35が配置されている。

端子36は、制御回路と各コイル35とを電気的に接続するためのものである。この端子36は、端子保持部52に保持されており、この端子保持部52から後側に突出している。したがって、この端子36は、ステータコア33の左右に位置するティース42，42間の位置にてそれぞれ一対ずつ配置されている。そして、左右に位置する端子36，36が対をなしている。

センサ基板23は、ロータ21(磁石部27)の磁極の極性を検出することによってロータ21の回転位置(回転角度)を検出するもので、例えばホールＩＣなどを備えている。このセンサ基板23は、例えばＣ字状に形成され、ロータ21の磁石部27の外周に沿って配置されている。また、このセンサ基板23は、例えばステータ22の後側に重ねられ、例えばねじなどの基板固定部材59によりステータ絶縁34に固定されている。

フレーム24は、例えばアルミニウム、あるいはマグネシウムなどの、軽量で、かつ、導電性を有する金属部材により形成されている。このフレーム24は、例えば一のフレーム体61と、他のフレーム体62とを備えている。そして、このフレーム24は、これら一および他のフレーム体61，62がねじ49により互いに前後に固定されることにより、ロータ21、ステータ22およびセンサ基板23を前後から挟み込んで収容するように構成されている。そして、一のフレーム体61は、ロータ21、ステータ22およびセンサ基板23に対して前側に位置するもので、ディフューザ15に対向して開口されたフレーム吸気開口部69を備えている。また、一のフレーム体61には、電動機13とディフューザ15とを前後方向に固定するためのねじなどの固定体71が螺合される丸孔状の螺合孔72が設けられている。さらに、他のフレーム体62は、ロータ21、ステータ22およびセンサ基板23に対して後側に位置するもので、電動機13内に流入した空気を外部へと排気するフレーム排気開口部75がそれぞれ区画される。

遠心ファン14は、シャフト26に接続されて電動機13により回転されることで空気を中心側から外周側へと押し出す(吹き出す)ものである。この遠心ファン14は、中央部に、シャフト26が挿通されるシャフト挿通孔77を備えている。また、この遠心ファン14は、複数のファン翼78を備えている。そして、シャフト挿通孔77に挿通された電動機13のシャフト26の前端部に固定部材としてのナット79が螺合されることにより、遠心ファン14がシャフト26に一体的に固定される。

ディフューザ15は、遠心ファン14により押し出された空気を整流して電動機13の内部へと流し込むものである。このディフューザ15は、取付開口部82を中央部に備えている。また、このディフューザ15は、固定孔部である通孔83を取付開口部82の両側に備えている。さらに、このディフューザ15は、整流翼84を外縁近傍に備えている。そして、このディフューザ15は、整流翼84，84間に、ディフューザ15を前後方向に貫通する風路部85を備えている。

ファンカバー16は、遠心ファン14の一部を覆ってディフューザ15に取り付けられている。このファンカバー16には、遠心ファン14の中央部を露出させる吸気口87が開口されている。

制御回路は、例えばインバータ回路を含むドライバと、このドライバをＰＷＭ制御する制御部とを備え、各端子36およびセンサ基板23と電気的に接続されている。そして、この制御回路は、ドライバによってコイル35の巻線に流れる電流の向きや通電時間を制御することで、各コイル35を介してステータ22のステータコア33の各ティース42にそれぞれ生じさせる磁極を時間毎に切り換えるように構成されている。

そして、上記の電動送風機11および制御回路は、本実施形態において図５に示す電気掃除機91に備えられる。電気掃除機91は、掃除機本体92を備えている。また、この電気掃除機91は、集塵部93を備えている。電気掃除機91としては、本実施形態では、例えば長手状の掃除機本体92に対して着脱可能な風路体94を備える長尺状のスティック型(ハンディ型)の電気掃除機とするが、例えばキャニスタ型などでもよいし、自律走行可能な自走式の電気掃除機でも好適に用いることができる。また、電気掃除機91は、塵埃を吸い込む吸引型の電気掃除機に限らず、塵埃を吹き飛ばすブロワなどでもよい。

掃除機本体92には、電動送風機11および制御回路が収容されている。また、この掃除機本体92には集塵部93が着脱可能となっている。

集塵部93は、電動送風機11の駆動により生じる負圧を利用して空気とともに吸い込んだ塵埃を空気から捕集する部分である。この集塵部93は、本実施形態において例えば塵埃を遠心分離するサイクロン集塵部が用いられるが、例えばフィルタにより塵埃を濾過捕集するものや、慣性を利用して塵埃を捕集するものなど、任意の構成とすることができる。電気掃除機91がブロワである場合、この集塵部93は不要となる。

風路体94は、電動送風機11の駆動により生じる負圧を床面などに作用させるものである。この風路体94は、必須の構成ではない。

次に、上記一実施形態の電動送風機11の組み立て手順を説明する。

この電動送風機11の組み立て手順は、概略として、ディフューザ15に一のフレーム体61を組み付け、この一のフレーム体61に、それぞれ組み立てたステータ22およびロータ21を組み付け、センサ基板23をステータ22に組み付け、他のフレーム体62を一のフレーム体61およびディフューザ15に組み付けて、一および他のフレーム体61，62によりロータ21、ステータ22およびセンサ基板23を挟み込み、ロータ21に遠心ファン14を接続した後、ファンカバー16により遠心ファン14を覆う。

具体的に、ディフューザ15に対して、予め成形したフレーム24の一のフレーム体61を位置合わせし、通孔83に挿入した固定体71を螺合孔72に螺合させることで一のフレーム体61とディフューザ15とを互いに固定する。この後、一のフレーム体61に対して、別途組み立てたステータ22を、一のフレーム体61に対して位置決めするとともに、センサ基板23を、基板固定部材59によりステータ22に対して固定する。また、ベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2は、ステータコア33の開口部47の内径寸法DSよりも大きいため、ステータ22のコイル35，35間からシャフト26の前端側を一のフレーム体61に挿通した後、このロータ21のシャフト26の前端側にベアリング29を取り付け、一のフレーム体61に保持するとともに、シャフト26の後端側にベアリング30を取り付ける。

そして、他のフレーム体62を一のフレーム体61に位置合わせし、ねじ49によりステータコア33を介して他のフレーム体62を一のフレーム体61にねじ止めすることで、他のフレーム体62によりロータ21のシャフト26の後端側に取り付けたベアリング30を保持し、一および他のフレーム体61，62によりステータ22、センサ基板23およびロータ21を挟み込むように固定する。

次いで、ディフューザ15の取付開口部82から前側に突出する電動機13のシャフト26を遠心ファン14のシャフト挿通孔77に挿通してナット79により固定し、この遠心ファン14を覆ってファンカバー16をディフューザ15の前側に圧入あるいは接着固定することで、電動送風機11が完成する。

このように組み立てた電動送風機11は、センサ基板23によりロータ21の回転位置を検出しつつ、この回転位置に応じて、制御回路により各コイル35の巻線に流れる電流の向きおよび通電時間を制御することで、各ティース42に順次磁極を形成し、これら磁極とロータ21の磁極との反発・吸引によってロータ21を回転させる。そこで、電動送風機11の遠心ファン14の回転により発生した負圧により、空気が吸気口87から電動送風機11に吸い込まれる。そして、この吸い込まれた空気は、遠心ファン14のファン翼78によりこの遠心ファン14の周囲へと整流され、ディフューザ15の整流翼84により整流されて風路部85からフレーム吸気開口部69を介して電動機13へと流し込まれ、電動機13のステータ22のティース42，42間およびロータ21の磁石部27と磁気作用面42cとの間(磁石部27と開口部47との間隙)を通過することで、ステータ22、ロータ21およびベアリング30を冷却しながら電動機13のフレーム24内を通過して各端子36を冷却しつつフレーム排気開口部75から排気される。

以上説明した一実施形態によれば、ロータ21のシャフト26の両端側をそれぞれ回転自在に保持するベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2よりも、ロータ21の焼結磁石製の磁石部27の外径寸法DMを小さくすることにより、遠心ファン14の回転によって生じた冷却風がロータ21の磁石部27と開口部47との間隙を通過すると、磁石部27よりも外径寸法が大きいベアリング30に対して前側の端面に直接吹き付けられる。このため、ベアリング30を冷却風によって効果的に冷却し、ベアリング30を長持ちさせることができる。また、磁石部27の外径寸法DMが相対的に小さいことにより、外径寸法DMに比例するロータ21のアンバランス量(遠心力の偏り)を抑制でき、ロータ21の回転に起因する振動や騒音を低減できる。このため、振動によるベアリング29，30内での機械摩擦を低減でき、ベアリング29，30をより長持ちさせることができる。

特に、磁石部27を焼結磁石製としたことにより、ボンド磁石製などの場合と比較して磁力を増加させることができるので、磁石部27の外径寸法DMをより小さくしても電動機13(電動送風機11)の性能を維持できる。

また、ステータ22のステータコア33の磁石部27の外周面に対して所定の間隙を介して対向する開口部47の内径寸法DSをベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2よりも小さくすることにより、コイル35を周囲に形成するティース42の長さは変えることなく、すなわちコイル35を収納するためのスペース(バックヨーク41とティース42とにより囲まれる空間部)を維持しつつステータコア33の外径寸法を小さくできるので、電動機13および電動送風機11をより小型化できる。

さらに、ベアリング29，30の外径寸法DB1，DB2を互いに略等しくすることにより、外径寸法差に起因するベアリング29，30の負荷の大きさの差が生じにくく、すなわちベアリング29，30のいずれか一方の負荷が他方よりも大きくなるような負荷の偏りを抑制でき、ベアリング29，30をより長持ちさせることができる。

そして、上記の電動送風機11を掃除機本体92に備える電気掃除機91は、長寿命で、かつ、小型化、軽量化および静音化が可能になる。

特に、電気掃除機91に用いられる電動送風機11は、例えば電動機13が１０００００ｒｐｍ程度の高速で回転され、かつ、遠心ファン14の回転により生じる風圧によってシャフト26が遠心ファン14側へと軸方向に引っ張られることで、ベアリング29，30に加わる負荷が大きいことから、これらベアリング29，30を冷却風により確実に冷却して長持ちさせることにより、電気掃除機91の長寿命化を図ることができる。

本発明の一実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

11 電動送風機
13 電動機
14 ファンである遠心ファン
21 ロータ
22 ステータ
26 回転軸であるシャフト
27 磁石部
29，30 ベアリング
33 ステータコア
47 開口部
91 電気掃除機
92 掃除機本体

Claims (4)

1. ファンと、このファンを回転させる電動機とを具備した電動送風機であって、
   前記電動機は、
   前記ファンと接続される回転軸、および、この回転軸に同軸状に設けられ複数の回転磁極を構成する円筒状の焼結磁石製の磁石部とを有するロータと、
   このロータの前記磁石部の周囲に配置され、固定磁極を構成するステータと、
   前記ロータの回転軸の両端側をそれぞれ回転自在に保持するベアリングとを備え、
   前記ベアリングの外径寸法よりも前記磁石部の外径寸法が小さい
   ことを特徴とした電動送風機。
2. ステータは、磁石部の外周面に対して所定の間隙を介して対向する開口部を有するステータコアを備え、
   前記ベアリングの外径寸法よりも前記開口部の内径寸法が小さい
   ことを特徴とした請求項１記載の電動送風機。
3. 各ベアリングの外径寸法が互いに略等しい
   ことを特徴とした請求項１または２記載の電動送風機。
4. 掃除機本体と、
   この掃除機本体に設けられた請求項１ないし３いずれか一記載の電動送風機と
   を具備したことを特徴とした電気掃除機。

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