JP2020129880A - 電動機及びそれを用いた電動送風機及びそれを用いた電気掃除機 - Google Patents
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Abstract
【課題】量産が容易で電動機特性を改善した小型高速の電動機及びそれを用いた電動送風機や電気掃除機を提供する。【解決手段】中空かつ円筒状の一体型固定子円筒コアと、該一体型固定子円筒コアの内側に位置する複数の固定子コイルと、該固定子コイルの径方向内側に対向し、回転可能に配置される回転子永久磁石とを備え、該固定子コイルと該回転子永久磁石の間に、円筒状の内側フレームを備え、該内側フレームの軸方向長さは該固定子コイルの軸方向長さより長く、該内側フレームは径方向に延びる複数の突起を備え、該内側フレーム端部には,端部フレームを備え、該内側フレーム端部と端部フレームが接触している。【選択図】図1
Description
本発明は,電動機及びそれを用いた電動送風機及びそれを用いた電気掃除機に関するものである。
近年需要が急速に高まっているコードレス掃除機においては,低電圧のバッテリー駆動においても十分な出力を得るためにブラシレス電動機を用いた電動送風機が搭載されている。
電気掃除機の小型化の需要を達成するために,電動送風機の小型化も求められている。電動送風機の小型化に関しては,電動送風機を高速化することでファンの外形を小さくすることが出来る。そのため,ブラシレス電動機の回転数を約8万回転以上としている例が多い。しかしながら,電動機は高速化することで,鉄損が増加し,電動機効率低下の要因となる。また,電動機を小型化することで,体積辺り発熱量の増加,放熱面積の減少で,電動機温度が上昇するため,磁石残留磁束密度の低下やコイル電気抵抗の増加により,銅損が増加し,電動機効率低下の要因となる。
掃除機用のブラシレス電動機の構造としては,特許文献1のような電動機が上げられる。特許文献1の電動機では,固定子コアの周方向内側に伸びたティース部分にコイルが巻き回されることで,固定子が構成されている。このような電動機を小型化するには,ティース部を短くすることが考えられるが,そのためには,コイルのターン数の減少やコイルの線径を細くする必要があり,電動機効率の低下を招く恐れがある。
掃除機用ブラシレス電動機の小型,高速化に適した構造としては,例えば,特許文献2のような,固定子側のティースコア部が無いスロットレス構造があげられる。特許文献2の構造は,ティースコアが無いことにより,小径化しやすく,かつ,鉄損を減少できる構造である。また,スロットレス構造では,コイルを巻き回すティースコア部が無いために、ステータコアに対してコイルが適切な位置に固定されず,コイルに発生する誘起電圧にバラつきが起きてモータ特性を悪化させるが,特許文献2ではコイルを巻きまわしたインシュレータの一端の外周部にステータコアとコイルとの位置決めをする鍔部を設けることで,電動機特性の安定性を図っている。しかしながら,この構造で,インシュレータを単にステータコアに挿入させただけでは,鍔部が存在しない側の端から電動機軸長方向にインシュレータまたはコイルを押す力が働いた場合にコイル位置はズレてしまい,電動機特性が低下する。また,インシュレータまたはコイルに電動機周方向に力が働いた場合に,コイル位置のズレが生じるため,電動機特性が低下する。そこで,特許文献2の実施例によれば,インシュレータの挿入後にステータコアとインシュレータを樹脂モールドすることで固定をしているが,樹脂モールド作業の工程が入ることは量産性を悪化させる。また樹脂モールドをしていても,固定が不十分であった場合に,電動機駆動により,電動機軸長方向及び電動機回転方向に力が働くことで,コイル位置のズレが生じ,電動機特性が低下する。
本発明は,上記課題を解決するためになされたものであり,量産が容易で電動機特性を改善した小型高速の電動機及びそれを用いた電動送風機や電気掃除機を提供することにある。
上記の課題を解決するために,本発明では,中空かつ円筒状の一体型固定子円筒コアと、該一体型固定子円筒コアの内側に位置する複数の固定子コイルと、該固定子コイルの径方向内側に対向し、回転可能に配置される回転子永久磁石とを備え、該固定子コイルと該回転子永久磁石の間に、円筒状の内側フレームを備え、該内側フレームの軸方向長さは該固定子コイルの軸方向長さより長く、該内側フレームは径方向に延びる複数の突起を備え、該内側フレーム端部には,端部フレームを備え、該内側フレーム端部と端部フレームが接触していることを特徴とする。
本発明によれば,ティースコアが無いスロットレス構造でモータを小径化し,固定子コア内側に貼り付けたコイルについて表面積が大きくできることで放熱性を改善し,電動機効率を改善した小型高速の電動機及びそれを用いた電動送風機や電気掃除機を得ることができる。
図1は,本発明の一実施形態に係る電動機の固定子と回転子の斜視図であり,図1(a),(b)は組み立て途中の状態,図1(c)は組み立てた状態である。図1(d)は図1(c)の軸方向断面図である。
図1に示す電動機は,いわゆるスロットレス型電動機100である。スロットレス型電動機100では,固定子のコア(鉄心)にティースを有することないことが構造的な特徴となっている。図1において,スロットレス型電動機100は,スロットレス型固定子51と,スロットレス型固定子51の内側に配置された回転子50と軸方向両端部の端部フレーム20で構成される。回転子50は,回転子永久磁石1とシャフト2を有する。回転子永久磁石1の材質としては,Sm−Fe−N(サマ鉄窒素)磁石や,ネオジム磁石,フェライト磁石などが考えられる。また,高速回転時の磁石破損防止のため,磁石の表面をカバーで保護しても良い。カバーの材質としては,SUSやCFRPなどが考えられる。スロットレス型固定子51は,内側フレーム21の外側の突起31の間に複数個の固定子コイル5を嵌めた後に,内側フレーム21を固定子円筒コア4に挿入することで構成される。固定子コイル5の形成方法としては,単に銅やアルミなど導体の線を巻き回しただけでも良いし,自己融着線を用いても良い。巻きまわした後に,エポキシ樹脂等で固めることも考えられる。また,固定子コイル5を突起31に直接巻きまわしても良い。内側フレーム21を固定子円筒コア4に挿入後,軸方向の両端部から端部フレーム20で挟み込む。端部フレーム20と固定子円筒コア4は接着剤等で固定することが考えられる。また,後述の実施例に記載の通り,ボルト71で固定することも考えられる。端部フレーム21の外側に端部フレーム21と固定子円筒コア4を挟み込んで固定するようなフレーム部品があっても良い。内側フレーム21の円筒部の軸方向長さは,固定子コイル5の軸方向長さよりも長くなっており,コイル図1(d)に示すように,内側フレーム21の円筒部の両端部と端部フレーム20の内側が接触している。これにより,内側フレーム21に巻きまわされた固定子コイル5に対して軸方向に力が働いたとしても,端部フレーム20に挟まれているために固定子コイル5の位置が動くことはない。また,固定子コイル5に対して周方向に働く力についても,内側フレーム21と端部フレーム20の接触面の摩擦力によって保持されるため固定子コイル5の位置が動くことはない。内側フレーム21の円筒部の軸方向長さを固定子コイル5の軸方向長さよりも短くすると。端部フレーム20と固定子コイル5が接触することとなるが,この接触面に摩擦力が働くと,固定子コイル5を構成する導線表面の絶縁が剥がれて短絡する恐れがあり故障原因となり得るため,内側フレーム21の円筒部の軸方向長さは,固定子コイル5の軸方向長さよりも長くする必要がある。
図2(a)は図1(c)のスライス断面図である。固定子コイル5は複数本の導線の集合から成り立つものであり,断面で見た時に導線は一本一本が独立して見えるが,本発明の図面ではこれを省略して,コイルが存在する領域のみを図示している。図2(a)で図示している回転子永久磁石1は,4極の磁石配置であり,回転子永久磁石N極1aと回転子永久磁石S極1bが隣り合うように配置されている。本発明の一実施形態では,図1(a)と図2(a)に示すように,固定子コイル5に電流を流した場合に,固定子円筒コア4の円周方向に磁束が流れるような向きで,固定子コイル5は構成される。また,固定子コイル5には,U相コイル5a,V相コイル5b,W相コイル5cがあり,それぞれに流れる電流は,120度ずつ位相差のある三相交流の電流である。U相コイル5a,V相コイル5b,W相コイル5cは,断面で見た時にそれぞれ2分割されているが,図1(a)で示すように軸長端部でつながった一体のものであり,図中の+−は電流の流れる方向が軸方向で逆になっていることを示す。また,図2(a)で,U相コイル5aは180ずれた位置で2つ存在するが,この二つのU相コイル5aには同位相の電流が流れていることを示し,二つのU相コイル5aは直列で接続されていても,並列で接続されていても良く,これらはV相コイル5b,W相コイル5cについても同様である。この固定子コイル5の配置により,固定子コイル5に流れる電流が回転磁界を発生させ,回転子50が回転し,トルクが発生する。固定子コイル5に電流が流れることにより発熱するが,内側フレーム21と端部フレーム20が接触していることで,固定子コイル5で発生した熱が内側フレーム21と端部フレーム20を介して外部に伝達するため,冷却効果が高い。電動機温度が低下することで,磁石残留磁束密度の増加とコイル電気抵抗の減少により,銅損が減少し,電動機効率が改善する。端部フレーム20,内側フレーム21の材質としては金属や,樹脂,あるいは,金属をフィラとして樹脂に混ぜるなどで樹脂と金属の両方を用いることなどが考えられるが,金属を用いたほうが,冷却効果が高い。樹脂には熱伝導性が高い樹脂を用いた方が良い。
固定子円筒コア4の材質としては,鉄が主成分の電磁鋼板が考えられ,電磁鋼板からコア形状を打ち抜いたものを積層することで,固定子円筒コア4を構成できる。固定子円筒コア4は図1で示すような一体型コアでも良いし,いくつかに分割したコアでも良い。分割コアであれば,電磁鋼板から打ち抜く際に無駄なく打ち抜くことができ,コストの低減を図ることができるが,一体型コアと比べて,分割部の隙間による磁束漏れにより,効率の低下が懸念される。固定子コイル5の材質としては,銅やアルミを用いることが考えられる。
図2(b)に示す別実施形態の組み立てた状態のスライス断面図のように,固定子円筒コア4と固定子コイル5の間に絶縁のため円筒形状の外側フレーム30を挿入することも考えられる。外側フレーム30の軸方向長さと内側フレーム21の軸方向長さを同じとすることで,外側フレーム30と端部フレーム20が接触するため,この接触面に働く摩擦力によって,より強固に固定子コイル5の位置は保持される。
次いで,本発明の第2の実施の形態を説明する。図3は本実施例の電動機構造を示す図であり,図3(a)は組み立て途中の状態の斜視図で,図3(b)は組み立てた状態のスライス断面図である。図1,2に示した実施の形態と異なる点は,内側フレーム21から径方向に延びた突起31の先端に周方向に伸びた鍔部32を有することである。内側フレーム21の突起31に固定子コイル5を直接巻きまわすときに,固定子コイル5が外側に脱落するのを鍔部32が防ぎ,量産性が向上する。
次いで,本発明の第3の実施の形態を説明する。図4は本実施例の電動機構造を示す図であり,図4(a)は組み立て途中の状態の斜視図で,図4(b)は組み立てた状態の断面図である。図1〜3に示した実施の形態と異なる点は,端部フレーム20が,スロットレス型電動機100の内側に向かって軸長方向に伸びる円筒状突起を有することにある。
図4(a)に図示する内周側突起22aの外径は,内側フレーム21の円筒部内径と同じ寸法として,かつ外周側突起22bの内径は内側フレーム21の円筒部外形と同じ寸法とすることで,図4(b)の断面図に示すように,内側フレーム21の円筒部と内周側突起22aと外周側突起22bが嵌め合うようになっている。これにより,内側フレーム21
と端部フレーム20の接触面が大きくなるため,この接触面に働く摩擦力によって,より強固に固定子コイル5の位置は保持される。内周側突起22aと外周側突起22bの両方を有しているほうが接触面が大きく,摩擦力も大きいが,どちらか片方だけであっても同様に固定子コイル5の位置を保持する効果が得られる。
図4(a)に図示する内周側突起22aの外径は,内側フレーム21の円筒部内径と同じ寸法として,かつ外周側突起22bの内径は内側フレーム21の円筒部外形と同じ寸法とすることで,図4(b)の断面図に示すように,内側フレーム21の円筒部と内周側突起22aと外周側突起22bが嵌め合うようになっている。これにより,内側フレーム21
と端部フレーム20の接触面が大きくなるため,この接触面に働く摩擦力によって,より強固に固定子コイル5の位置は保持される。内周側突起22aと外周側突起22bの両方を有しているほうが接触面が大きく,摩擦力も大きいが,どちらか片方だけであっても同様に固定子コイル5の位置を保持する効果が得られる。
次いで,本発明の第4の実施の形態を説明する。図5は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり,図5(a)は組み立て途中の状態,図5(b)は組み立てた状態の斜視図である。図1〜4に示した実施の形態と異なる点は,内側フレーム21の端部から軸長
方向に伸びた複数個の凸部41と,この凸部と嵌合するように端部フレーム20が複数個の凹部40を有することである。組み立てたときにこの凹部40と凸部41が嵌合することで,より強固に固定子コイル5の位置は保持される。図示は省略するが凹凸の関係を逆転させた端部フレーム20側に凸部41,内側フレーム側に凹部40を有する構造であっても同様の効果が得られる。
方向に伸びた複数個の凸部41と,この凸部と嵌合するように端部フレーム20が複数個の凹部40を有することである。組み立てたときにこの凹部40と凸部41が嵌合することで,より強固に固定子コイル5の位置は保持される。図示は省略するが凹凸の関係を逆転させた端部フレーム20側に凸部41,内側フレーム側に凹部40を有する構造であっても同様の効果が得られる。
次いで,本発明の第5の実施の形態を説明する。図6は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり,図6(a)は組み立て途中の状態,図6(b)は組み立てた状態の斜視図である。図1〜5に示した実施の形態と異なる点は,端部フレーム20及び固定子円筒コア4が複数個のボルト穴70を有しており,複数個のボルト71を挿入していることである。これにより端部フレーム20と固定子円筒コア4が固定されるため,より強固に固定子コイル5の位置は保持される。
次いで,本発明の第6の実施の形態を説明する。図7は本実施例の電動機構造を示す斜視図であり,図7(a)は組み立て途中の状態,図7(b)は組み立てた状態の斜視図である。図1〜6に示した実施の形態と異なる点は,端部フレーム20と内側フレーム21が複数個の固定子円筒コア4が複数個の空孔23を有していることである。これにより,外部から回転子永久磁石1までの空気の流路ができるため,空冷による冷却効果が高い。電動機温度が低下することで,磁石残留磁束密度の増加とコイル電気抵抗の減少により,銅損が減少し,電動機効率が改善する。
次いで,本発明の第7の実施の形態を説明する。第1から第6の実施例を複数組み合わせることが考えられる。例えば,端部フレーム20が,スロットレス型電動機100の内側に向かって軸長方向に伸びる円筒状突起を有し,端部フレーム20及び固定子円筒コア4が複数個のボルト穴70を有して,複数個のボルト71を挿入しており,端部フレーム20と内側フレーム21が複数個の固定子円筒コア4が複数個の空孔23を有している構造が考えられる。
次いで,本発明の第8の実施の形態を説明する。第1から第8の実施例に示したいずれかの構成の電動機端部の片一方にシャフト2に固定されたインペラを配置した構造とすることで,インペラがついている側,または反対側から,空気が強制的に流れる電動送風機としての構成となる。インペラの材質としては金属や,樹脂,あるいは,金属をフィラとして樹脂に混ぜるなどで樹脂と金属の両方を用いることなどが考えられるが,金属を用いたほうが,冷却効果が高い。樹脂には熱伝導性が高い樹脂を用いた方が良い。また,端部フレーム21及び固定子円筒コア4に熱冷却のための複数個のフィンを立てることにより冷却効果を高めた構成も考えられる。また,このフィンを軸長方向に対して傾けた配置とすることで,ディフューザとしての役割を持たすことも考えられる。本実施例の電動送風機を電気掃除機に用いることで,電気掃除機の小型軽量化,高効率化を得ることができる。また,この電動機送風機は小径であるため,電気掃除機内のどこに配置するかレイアウト上の自由度が高く,例えば,パイプ部やホース部の内部に納めることで,スリムな電気掃除機を構成することができる。
本発明の実施例としては,磁石の極数4,コイル数6の3相駆動電動機のときの説明をしたが,磁石の極数2,コイル数3や,磁石の極数6,コイル数9など,自然数nに対して,磁石極数2n,コイル数3nの組み合わせが考えられる。また,自然数nが偶数であるときは磁石極数2nに対して,コイル数n×3/2でも良い。また,自然数nに対して,磁石の極数2n,コイル数2nのような,単相駆動電動機であっても良い。その他の極数・スロット数の組み合わせであっても良い
1 回転子永久磁石
1a 回転子永久磁石N極
1b 回転子永久磁石S極
2 シャフト
4 固定子円筒コア
5 固定子コイル
5a U相コイル
5b V相コイル
5c W相コイル
20 端部フレーム
21 内側フレーム
22 円筒状突起
22a 内周側円筒状突起
22b 外周側円筒状突起
23 空孔
23a 内側フレーム空孔
23b 端部フレーム空孔
30 外側フレーム
31 突起
32 鍔部
40 凹部
41 凸部
50 回転子
51 スロットレス型固定子
70 ボルト穴
71 ボルト
100 スロットレス型電動機
1a 回転子永久磁石N極
1b 回転子永久磁石S極
2 シャフト
4 固定子円筒コア
5 固定子コイル
5a U相コイル
5b V相コイル
5c W相コイル
20 端部フレーム
21 内側フレーム
22 円筒状突起
22a 内周側円筒状突起
22b 外周側円筒状突起
23 空孔
23a 内側フレーム空孔
23b 端部フレーム空孔
30 外側フレーム
31 突起
32 鍔部
40 凹部
41 凸部
50 回転子
51 スロットレス型固定子
70 ボルト穴
71 ボルト
100 スロットレス型電動機
Claims (11)
- 中空かつ円筒状の一体型固定子円筒コアと、該一体型固定子円筒コアの内側に位置する複数の固定子コイルと、該固定子コイルの径方向内側に対向し、回転可能に配置される回転子永久磁石とを備え、該固定子コイルと該回転子永久磁石の間に、円筒状の内側フレームを備え、該内側フレームの軸方向長さは該固定子コイルの軸方向長さより長く、該内側フレームは径方向に延びる複数の突起を備え、該内側フレーム端部には,端部フレームを備え、該内側フレーム端部と端部フレームが接触していることを特徴とする電動機。
- 請求項1に記載の電動機であって,前記固定子円筒コアと前記固定子コイルの間に円筒状の外側フレームを有し,該外側フレームの軸方向長さは該内側フレームの軸方向長さと同じであることを特徴とする電動機。
- 請求項1又は2に記載の電動機であって,前記内側フレームが備える前記突起の先端に周方向へ伸びた鍔部を有することを特徴とする電動機。
- 請求項1乃至3に記載の電動機であって,前記内側フレームが軸長方向に伸びる円筒状突起を有しており,該円筒状突起の外径は該内側フレーム円筒部の内径と同じ寸法であることを特徴とする電動機。
- 請求項1乃至4に記載の電動機であって,前記端部フレームが軸長方向に伸びる円筒状突起を有しており,該円筒状突起の内径は該内側フレーム円筒部の外径と同じ寸法であることを特徴とする電動機。
- 請求項1乃至5に記載の電動機であって,前記内側フレームが軸長方向に伸びる複数個の凸部を有しており,前記端部フレームには該凸部と嵌合する複数個の凹部を有することを特徴とする電動機。
- 請求項1乃至5に記載の電動機であって,前記端部フレームが軸長方向に伸びる複数個の凸部を有しており,前記内側フレームには該凸部と嵌合する複数個の凹部を有することを特徴とする電動機。
- 請求項1乃至7に記載の電動機であって,前記端部フレームと前記固定子円筒コアは複数個のボルト穴を有しており,ボルトにより固定することを特徴とする構造。
- 請求項1乃至8に記載の電動機であって,前記端部フレームと前記内側フレームは複数個の空孔を有していることを特徴とする電動機。
- 請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の電動機であって,前記回転子永久磁石端部の片一方に固定されたインペラを有すことを特徴とする電動送風機。
- 請求項10に記載の電動送風機を用いたことを特徴とする電気掃除機。
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