JP2020031480A

JP2020031480A - 電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機

Info

Publication number: JP2020031480A
Application number: JP2018155129A
Authority: JP
Inventors: 賢宏伊藤; Masahiro Ito; 伊藤　則和; Norikazu Ito; 則和伊藤; 菊地　聡; Satoshi Kikuchi; 菊地　　聡; 勇介浅海; Yusuke Asaumi
Original assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2020-02-27
Also published as: CN110856629A; CN110856629B

Abstract

【課題】本願発明は、組立性の悪化やコスト増とならずに、高トルク、かつトルクリップルが抑制された電動送風機、および高い吸込み性能と、振動、騒音が抑制された電気掃除機を提供することを課題とする。【解決手段】回転軸と、前記回転軸には遠心羽根車、磁石、軸受が実装されるロータ組立体において、前記回転軸はインサート成形により磁石が直接実装され、前記磁石の極数は２ｎ＋２（ｎ＝整数）であり、かつ磁場配向は極異方配向とすることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、電動送風機及びそれを搭載した電気掃除機に関する。

近年、コードレススティック掃除機の需要が高まっている。コードレススティック掃除機は軽量化のために低電圧のバッテリーを採用しているが、電動送風機においても小型化が求められている。しかしながら、ごみ取り性能を十分に確保できる吸込力、つまりはファン出力，および風量を生み出せることが電動送風機として必須条件となる。これらを満足するために電動送風機としては、駆動する回転数を高速化することで、ファンの高出力化、および小型化ができる。そのため、電動送風機にはブラシレスモータが採用され、回転数を８０,０００ｍｉｎ^−１以上としている例が多い。

小型及び高速化を達成するために、モータには磁石を採用しているが、その形態としては、小型であり、かつ高速回転への遠心力を極力抑えるためにも、回転体の回転軸に直接磁石を実装する形態が多く採用されている。つまり、表面磁石型である。

例えば、特許文献1には、回転軸に磁石を直接射出成形（インサート成形）した表面磁石型を用いた電動送風機が開示されている（特許請求の範囲参照）。

特開２０１６−１５４４２５号公報

特許文献１に記載される電動送風機は、磁石を成形する際、磁石に磁場配向を持たせるために金型内に配向用磁石を用いて成形を行う。磁石は略円筒形であり、円筒形内にはインサート成形された磁性体の回転軸が配置されている。この時、磁場配向としては、磁分の磁気モーメントを一定方向にそろえて、少なくとも一対の磁極を形成する磁場であり、回転軸に垂直な断面上のキャビティにおいて、向きが回転軸に垂直な断面と並行になるように付与する偶数極着磁である。これにより、磁性体である回転軸の近傍で収束して磁束密度測定位置の区間において磁束密度の極大領域を拡げることが可能な配向なり、回転軸の回転が安定し、従来の磁石よりも安定した高速回転が可能としている。

本発明は、仮に磁性体の回転軸を用いて円筒形の磁石をインサート成形してなお、最大磁束密度を犠牲にせず、高トルク化を実現したロータ組立体、電動送風機、および電気掃除機を提供することを課題とする。

本発明では、回転軸と、前記回転軸には遠心羽根車、磁石、軸受が実装されるロータ組立体において、前記回転軸はインサート成形により磁石が直接実装され、前記磁石の極数は２ｎ＋２（ｎ＝整数）であり、かつ磁場配向は極異方配向とすることを特徴とする。

磁石の磁場配向を極異方配向とすることで、磁石の表面磁束密度分布における、最大磁束密度の大きさを変えずに回転軸に直接射出成形を行うことで、電動送風機の高トルク化が可能となる。これにより、吸込み性能の高い、ハイパワーな電動送風機、及びそれを用いた電気掃除機を提供することができる。

本発明の実施形態１に係るロータ組立体の分解斜視図である。（ａ）は、従来の磁石の疑似的ラジアル配向時の磁束の向きを示した磁石断面図。（ｂ）は、従来の磁石の疑似的ラジアル配向時の表面磁束密度分布図である。（ａ）は、実施形態１に係る磁石の極異方配向時の磁束の向きを示した磁石断面図。（ｂ）は、実施形態１に係る磁石の極異方配向時の表面磁束密度分布図である。（ａ）は、従来の磁石の疑似的ラジアル配向時の磁界解析による電動機の磁束密度分布図。（ｂ）は、実施形態１に係る磁石の極異方配向時の磁界解析による電動機の磁束密度分布図である。（ａ）は、従来の磁石の疑似的ラジアル配向時の磁界解析によるトルク波形図。（ｂ）は、実施形態１に係る磁石の極異方配向時の磁界解析によるトルク波形図である。本発明の実施形態２に係る電動送風機を示す断面図。本発明の実施形態２に係る電動送風機を示す分解斜視図。本発明の実施形態３に係る電動送風機を搭載した電気掃除機を示し、（ａ）はスティック型として使用する際の斜視図、（ｂ）は電気掃除機をハンディ型として使用する際の側面図である。本発明の実施形態３に係る電動送風機を搭載した掃除機本体の縦断面図である。

本発明の実施形態について、適宜、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態は以下の内容に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内において適宜変更して実施可能である。

＜第１実施形態＞
図１はロータ組立体230を示す分解斜視図である。図１に示すように、ロータ組立体230は、遠心羽根車２０３、回転軸２０７、磁石２０９、軸受２１２、２１２、リング部材２１３、ばね２１７およびカバー２５０によって構成されている。なお、軸受２１２、２１２とばね２１７とで軸受部が構成されている。

遠心羽根車２０３は、回転軸２０７の軸方向Ｇの一端に固定されている。本実施例では、遠心羽根車２０３を回転軸２０７に圧入固定しているが、回転軸２０７の端部（先端）にねじを設け、遠心羽根車２０３を固定ナットによって固定してもよい。

磁石２０９は、回転軸２０７の、遠心羽根車２０３が固定されている端部とは逆側の軸方向Ｇの端部側に設けられている。この磁石２０９は、例えば、希土類系のボンド磁石によって構成されている。希土類系のボンド磁石は、希土類系磁性粉末と有機バインダーとを混合して作られる。希土類系のボンド磁石としては、例えば、サマリウム鉄窒素磁石や、ネオジム磁石等を用いることができる。また、磁石２０９は、回転軸２０７に一体成形されている。また、磁石２０９は、カバー２５０により外周面に接した状態で覆われている。カバー２５０は、非磁性の薄板を筒状に形成したものであり、例えば、ステンレス鋼にニッケル量を多く配合したもので構成される。

リング部材２１３は、バランス調整用のものであり、回転軸２０７における磁石２０９側の端部に設けられている。また、リング部材２１３は、磁石２０９よりも比重が大きく、かつ、非磁性の材料で構成されている。例えば銅材などの焼結品（燒結体）や機械加工で形成することができる。また、リング部材２１３としては、磁石２０９よりも比重が大きく、かつ、非磁性の材料であれば、銅に限定されるものではない。

回転軸２０７には、遠心羽根車２０３と磁石２０９との間に、軸受２１２、２１２が設けられている。軸受２１２、２１２は、軸方向に離間して配置され、回転軸２０７を回転自在に支持している。軸受２１２、２１２の間にはコイル状のばね２１７が設けられ、軸受２１２、２１２の外輪に予圧を与えている。ばね２１７の形状は円筒形、あるいはつづみ形などは問わない。

図２（ａ）（ｂ）は、従来の平行配向で磁石２０９を回転軸２０７にインサート成形した際の磁束の簡易断面図と、表面磁束密度(シミュレーション結果)である。ここでは、磁石２０９の極数が４（＝２×１＋２）の場合を説明する。図２（ａ）のように、磁束が回転軸２０９に収束されるため、疑似的ラジアル配向のような磁束の向きとなる。したがって、図２（ｂ）に示す表面磁束密度では、磁束がラジアル的に発散しているので正弦波的な波形から最大表面磁束密度が下がるような、略台形波となり、およそ最大磁束密度の範囲が広がった形となる。

図３（ａ）（ｂ）は、実施形態１における極異方配向で磁石２０９を回転軸２０７にインサート成形した際の磁束の簡易断面図と、表面磁束密度(シミュレーション結果)である。ここでも、比較として磁石２０９の極数が４（＝２×１＋２）の場合を説明する。図３（ａ）に示すように、磁石２０９が４極の異方配向であると、磁束の流れが回転軸２０７を横断することなく隣接する反極へ向かうような配向となる。すると、図３（ｂ）に示すように、無駄なく極に磁束が集中する略正弦波な表面磁束密度分布が得られる。

図４は、磁界解析での磁束密度分布の結果である。図４（ａ）は図２（ａ）のように疑似的ラジアル配向となった場合の磁束密度分布である。図４（ｂ）は、図３（ａ）のように極異方配向での磁束密度分布である。比較してわかるとおり、極異方とした場合の方がモータ内の磁束密度が高いことがわかる。

図５は、磁界解析でのトルク波形の結果である。図４（ａ）は図２（ａ）のように疑似的ラジアル配向となった場合のトルク波形である。図４（ｂ）は、図３（ａ）のように極異方配向でのトルク波形である。比較してわかるとおり、同一電流を流した際のトルク（平均トルク）、およびトルクリップル（波形の最大ピークと最小ピークの差）が小さいことがわかる。
以上のことにより、回転軸と、前記回転軸には遠心羽根車、磁石、軸受が実装されるロータ組立体において、前記回転軸はインサート成形により前記磁石が直接実装され、前記磁石の極数は２ｎ＋２（ｎ＝整数）であり、かつ磁場配向は極異方配向とすることにより、磁石２０９の磁場配向を極異配向とすることで高トルク化することができ、かつトルクリップルを抑制できるために振動、騒音抑制への効果も得られることが出来る。

また、極異方配向にするには、いくつかのマグネットを並べる方法が取られることがあるが、本実施例においては作業性・コストを考慮し射出成型により一体物としている。

金型は通常の射出成形用金型と同様キャビ・コアとするが、成形時に樹脂が充填される箇所の外周に、金型組込用の永久磁石を配置し、極異方配向になる磁場を金型内で形成する。そこへ、異方性ボンド磁石の樹脂を射出することにより、樹脂が固まる前に極異方配向を設ける。この際、本実施例においては、４極のマグネットを用いている為、ゲートは各極上に設ける(４点ゲート)。これにより、配向が乱れるウエルドを極の境とし、ウエルドによる磁石２０９の表面磁束密度分布への影響を最小限にしている。

さらに、本実施例での回転軸２０７は、磁性体のものとして説明を行ってきたが、非磁性体の回転軸２０７を用いても良い。

＜第２実施形態＞
以下、実施形態２として、本発明に係るロータ組立体２３０を備える電動送風機２００について図面を参照しながら説明する。

図６は、電動送風機を示す断面図であり、図７は従来の電動送風機の分解斜視図である。ステータ２４０は、ステータコア２１０の周りにコイル２１１が巻かれ、一緒になって相巻線を形成している。この相巻線は、電動送風機２００に備わる図示しない制御回路部に電気的に接続されている。

ハウジング２０８は、合成樹脂製であり、ロータ組立体230の軸受部を内包する軸受カバー２１５とインサート成形によって構成される。軸受カバー２１５の外周には、軸受２１２の冷却用のヒートシンクである回転軸方向に長い複数の冷却フィン２７が設けられている。また、軸受カバー２１５は、非磁性金属材料製であり、軽量化、放熱性などに有利なものが良い。本実施例では、アルミ材を使用している。

また、ハウジング２０８の支持部２６には、軸方向Ｇに延在するねじ穴２８が形成されている。ねじ穴２８には、固定ねじ２１８が螺合可能で、固定ねじ２１８の螺合によってディフューザ２０５がハウジング２０８に固定される。

また、ハウジング２０８には、ハウジング２０８の軸方向Ｇの端部に配置されるステータ２４０が、固定ねじ２１９によってハウジング２０８に固定されている。

ファンケーシング２０４は、ディフューザ２０５と、ロータ組立体230の遠心羽根車２０３を覆う格好で、ハウジング２０８と嵌合される。

以上の構成のようにロータ組立体に設けられる軸受部を固定可能な軸受カバーを支持し、ロータ組立体の一端に設けられる遠心羽根車を覆う様にファンケーシングを嵌合可能とし、ロータ組立体の一端側に設けられる磁石の外周側に接触しない様にステータを配置可能としたハウジングを用いた電動送風機２００に実施形態１のロータ組立体230を備えることにより、高トルク化が得られ、送風機性能の向上と、トルクリップルの抑制化により、振動、騒音が抑制できる電動送風機を可能とする。

＜第３実施形態＞
以下、実施形態３として、本発明に係るハウジング２０８を備える電動送風機２００を搭載する電気掃除機４００について図面を参照しながら説明する。

なお、以下では、スティック型とハンディ型とを適宜切り替えて使用できる充電式の電気掃除機４００に適用した場合を例に挙げて説明するが、スティック型のみ、ハンディ型のみ、など様々なタイプの電気掃除機に適用することができる。

図８は本実施例における電動送風機２００を搭載した電気掃除機４００を示し、（ａ）はスティック型として使用する際の斜視図、（ｂ）は電気掃除機４００をハンディ型として使用する際の側面図である。

図８（ａ）に示すように、電気掃除機４００は、塵埃を集塵する集塵室４０１および集塵するのに必要な吸込気流を発生させる電動送風機２００（図６）を収納する掃除機本体４１０、掃除機本体４１０に対して伸縮自在に設けられた伸縮パイプ４０２、伸縮パイプ４０２の一端に設けられたグリップ部４０３、グリップ部４０３に設けられた電動送風機２００の入切を行うスイッチ部４０４を備えて構成されている。

図８（ａ）に示す電気掃除機４００は、スティック状態であり、伸縮パイプ４０２が伸ばされ状態である。また、掃除機本体４１０の他端には吸口体４０５が取り付けられ、掃除機本体４１０と吸口体４０５とが接続部４０６で繋がれている。

図８（ｂ）に示す電気掃除機４００は、ハンディ状態であり、伸縮パイプ４０２が掃除機本体４１０内に収納され、グリップ部４０３が伸縮パイプ４０２側に近接した状態である。また、ハンディ状態での持ち手となるハンディグリップ部４０７は、掃除機本体４１０の上面側に、近接されたグリップ部４０３と集塵室４０１との間に設けられている。また、掃除機本体４１０の他端部には吸口体（隙間ノズル）４０８が取り付けられ、掃除機本体４１０と吸口体４０８とが接続部４０６で繋がれている。

以上の電気掃除機４００において、グリップ部４０３のスイッチ部４０４を操作することで、掃除機本体４１０に収納された電動送風機２００（図６参照）が作動し、吸込気流を発生させる。そして、吸口体４０５、４０８から塵埃を吸込み、接続部４０６を通して掃除機本体４１０の集塵室４０１に集塵する。

図９は本実施例における電動送風機を搭載した掃除機本体の縦断面図である。なお、図９は、ハンディ状態であり、掃除機本体４１０から吸口体４０８を取り外した状態である。

図９に示すように、掃除機本体４１０の内部には、吸引力を発生させる電動送風機２００、電動送風機２００に電力を供給する電池ユニット４２０、駆動用回路４３０が設けられている。

吸口体４０５、４０８（図８（ａ）、（ｂ）参照）から吸い込まれた空気は、掃除機本体４１０に設けられた流路４４０（図８（ａ）参照）を通って電動送風機２００の前方に配置された集塵室４０１に送られ、集塵室４０１内に集塵される。そして、集塵室４０１で塵挨が分離された後の空気は、電動送風機２００、駆動用回路４３０を通り、掃除機本体４１０に形成された排気口（不図示）から外部に排出される。

以上の構成の電気掃除機に、実施形態２の電動送風機２００を備えることにより、吸込性能の向上と、振動、騒音が抑制できる電動電気掃除機を可能とする。

以上、本発明に係る磁石に極異方配向を用いたロータ組立体について最良の実施の形態を示して詳細に説明した。なお、本発明の内容は、前記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲内において適宜改変・変更等することができることは言うまでもない。また、本実施例においては、スティック型掃除機を例に取り説明したが、キャニスター式、自律走行式等の他の方式の掃除機へ適用しても良い。

１３ディフューザ羽根
１４リターンガイド羽根
２６支持部
２７冷却フィン
２８ねじ穴
２９ハウジング外周面
３０ブリッジ
３１フレーム
３２ねじ穴
３４開口
３５排気口
２００電動送風機
２０１送風機部
２０２電動機部
２０３遠心羽根車
２０４ファンケーシング
２０５ディフューザ
２０６吸込口
２０７回転軸
２０８ハウジング
２０９磁石
２１０ステータコア
２１１コイル
２１２軸受
２１３リング部材
２１４位置決め用スリーブ
２１５軸受カバー
２１７ばね
２１８固定ねじ
２１９固定ねじ
２３０ロータ組立体
２４０ステータ
２５０カバー
２７０モータ
４００電気掃除機
４１０掃除機本体
４２０電池ユニット
４３０駆動用回路
Ｇ軸方向

Claims

回転軸と、前記回転軸には遠心羽根車、磁石、軸受が実装されるロータ組立体において、前記回転軸はインサート成形により前記磁石が直接実装され、前記磁石の極数は２ｎ＋２（ｎ＝整数）であり、かつ磁場配向は極異方配向とすることを特徴とするロータ組立体。
請求項１に記載のロータ組立体を用い、前記ロータ組立体に設けられる軸受部を固定可能な軸受カバーを支持し、前記ロータ組立体の一端に設けられる遠心羽根車を覆う様にファンケーシングを嵌合可能とし、前記ロータ組立体の一端側に設けられる磁石の外周側に接触しない様にステータを配置可能としたハウジングを用いたことを特徴とする電動送風機。
請求項２に記載の電動送風機を用いた電気掃除機。