JP3697633B2 - 電動送風機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気掃除機等の回転電機に使用され、界磁側に永久磁石を用いた直流整流子電動送風機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は例えば特開昭６２−２１７８４６号公報に示された従来の永久磁石界磁式直流整流子電動機を示す径方向断面図、図１４は同永久磁石界磁式整流子直流電動機を示す軸方向断面図である。
図において、シャフト２１に整流子２２と電機子鉄心２３に巻線２４を巻装した電機子からなる回転子が軸受２５ａ、２５ｂを介して固定側のエンドブラケット２６ａ，２６ｂによって支持され、エンドブラケットは円筒状継鉄２７に固定される。円筒状継鉄２７の内周には、例えばフェライト磁石からなる永久磁石２８と磁極片２９が配置されている。
【０００３】
従来の永久磁石界磁式直流整流子電動機は上記のように構成され、永久磁石２８により形成される磁束は円筒状継鉄２７を介して磁気回路を構成している。即ち、一方の永久磁石２８より発生した磁束はエアギャップを介して回転子に伝わり、電機子鉄心２３から逆側のエアギャップを介して反対側の永久磁石２８にへ伝わった後、円筒状継鉄２７を介して元の永久磁石２８へ戻る磁気回路を形成している。
回転子が回転する理由としては、巻線２４である回転子銅線に電流を流すと銅線の間に磁界が発生し、併せて永久磁石２８には常に磁気吸引力が発生しており、永久磁石２８の吸引、反発力を上手に組み合わせ、この合成力により回転子が回転し、シャフト２１に直結しているファン（図示省略）を回転させることにより、強力な吸引力である送風エネルギーを起こすことが可能となる。
【０００４】
また、図１５は従来の交流整流子電動機を示す側面図、図１６は同交流整流子電動機を示す上面図である。
図において、３１は有底円筒状のフレーム、３２はフレーム３１の開口部に取り付けられるブラケット、３３は回転子、３４は電機子巻線、３５は整流子、３６は軸受、３７は隅角部がフレーム３１に固定された方形の固定子鉄心、３８は固定子鉄心３７に巻き付けられた固定子巻線、３９はブラシホルダー、４０はブラシ、４１は整流翼、４２は送風用ファン、４３はファンガイドである。
４５は固定子巻線３８の互いに対向する端部間に形成される２つの巻線間風路、４６はフレーム３１の内周面と固定子鉄心３７の外周の各辺との間に形成される４つの固定子風路である。
【０００５】
従来の交流整流子電動機は上記のように構成され、回転子３３はもとより、フレーム３１に固定子巻線３８である界磁銅線を施した固定子鉄心３７を挿入し、界磁に関しても銅線に電流を流すと銅線の回りに磁界が発生する。この合成力により回転子３３が回転し、回転軸に直結している送風用ファン４２を回転させることにより、強力な吸引力である送風エネルギーを起こすことが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の永久磁石界磁式直流整流子電動機では、電動送風機として使用した場合、回転子の電機子鉄心３の外周と円筒状継鉄７の内周に固定された永久磁石８の内周との間に僅かの隙間しかないために送風路が確保されず、また永久磁石８の対向する端部間に僅かの隙間があり、それが磁石間風路３０となり、容量が小さいものにあっては磁石間風路３０を通過する送風だけで電動機部品を冷却して熱損失が生じることはないが、大容量のものではその磁石間風路３０を通過する送風だけでは電動機部品を冷却できず、熱損失が増え、電動機自体の性能が低下するという問題があった。
【０００７】
また、従来の交流整流子電動機では、電動送風機として使用した場合、固定子巻線３８の互いに対向する端部間に形成される巻線間風路４５と、フレーム３１の内周面と固定子鉄心３７の外周の各辺との間に形成される固定子風路４６とがあるが、その固定子風路４６内に固定子巻線３８のコイルエンドが張り出すために固定子風路４６は実質的に小さい送風路となり、しかも固定子巻線３８自身も発熱することにより、容量が小さい電動送風機にあっては巻線間風路４５と実質的に小さい風路である固定子風路４６を通過する送風だけで電動機部品を冷却して熱損失が生じることはないが、大容量の電動送風機では巻線間風路４５と実質的に小さい送風路である固定子風路４６を通過する送風だけでは電動機部品を冷却できず、熱損失が増え、電動機自体の性能が低下するという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、十分な送風を確保でき、電動機自体の性能を向上させる直流整流子電動送風機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転子、整流子、固定子ヨーク、界磁磁石及びブラシを有するブラシホルダを収納した有底円筒状のフレームと、フレームの開口部を閉塞して回転子の一端側を保持固定するブラケットとからなる直流整流子電動機と、直流整流子電動機の回転子と直結した送風用ファンとで構成され、送風用ファンの排気が直流整流子電動機内を通過する電動送風機において、前記フレームの開口部外径をφＡ、前記フレームの少なくとも界磁磁石が位置する円筒部の外径をφＢとし、その寸法関係をφＡ＞φＢとして生じるＲ状の段差部の始端位置と前記界磁磁石の回転ファン側端面位置とが略同一となるように形成したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１の電動送風機を示す底面図、図２は同電動送風機を示す半断面側面図、図３は同電動送風機を示す側面図、図４は図３の上面部のＸ−Ｘから見た断面図、図５は送風路断面積と効率に関するグラフである。
図において、１は永久磁石界磁式直流整流子電動送風機の有底円筒状のフレーム、２はフレーム１の開口部に取り付けられるブラケット、３は回転子、４は電機子巻線、５は整流子、６は軸受、７は永久磁石である界磁磁石、８は固定子ヨーク、９は固定子、１０はブラシホルダー、１１はブラシ、１２は整流翼、１３は送風用ファン、１４はファンガイド、１５は回転子軸、１６ａは固定子風路、１６ｂは磁石間風路である。
【００１６】
次に、更に構成を詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、フレーム１での一端は閉塞されて軸受ハウジング部１ａが取付けられている。フレーム１の他端は開放されていて、その開放縁はファンカバー取付部１ｂを形成している共に、フレーム１の開放端には軸受ハウジング部２ａを形成してあるブラケット２が取付けられている。
これら軸受ハウジング部１ａ、２ａに軸受６がそれぞれ設けられている。その軸受６間に回転子３の回転子軸１５が支持されており、この回転子軸１５におけるフレーム１の開放端に位置する一端であるネジ切り側１５ａは軸受６を貫通し、その貫通端部には送風用ファン１３が取付けられている。
また、回転子軸１５の反ネジ切り側１５ｂには整流子５が取付けられている。フレーム１には略四角形で、内径部が略円形の固定子ヨーク８と、固定子ヨーク８の内径部に相対向させて固定された略半円状の２つの界磁磁石７と、２つの界磁磁石７の内側に位置する電機子巻線４を施した回転子３が収納されている。
【００１７】
また、図３及び図４に示すように略四角形の固定子ヨーク８は外周の四隅がフレーム１の内径Ｒと略同一Ｒ形状で、フレーム１の内周に挿入固定された状態のときに、フレーム１の内周と略四角形の固定子ヨーク８の外周の各辺との間に４ヶ所の空間部である４つの固定子風路１６ａが形成される。
さらに、固定子ヨーク８の内径部に相対向して固定された２つの略半円状の界磁磁石７の対向する端部間に２ヶ所の空間部である２つの磁石間風路１６ｂが形成される。
また、これら４つの固定子風路１６ａと２つの磁石間風路１６ｂの合計断面積がフレーム内径断面積の２０％以上３５％以下に設定することが望ましい。
また、図１に示すように２つの磁石間風路１６ｂの対応位置にそれぞれフレーム１に取付けられ、ブラシ１１を備えたブラシホルダー１０が配置されている。
【００１８】
上記のように構成された本発明の実施の形態１の電動送風機においては、直流の電気エネルギーを有底円筒状のフレーム１に取付けられたブラシホルダー１０の電源端子１０ａからブラシ１１に通電し、整流子５を介して回転子３を電気エネルギーにて、電磁石に変換する。併せて、界磁磁石７には常に磁気吸引力が発生しており、この合成力により回転子３が回転し、回転子軸１５に直結している送風用ファン１３を回転させることにより、送風エネルギーを起こし、整流翼１２を介して、送風エネルギーをできるだけ減衰すること無く整流し、電動機内部に送り出す。
その電動機内部、即ちフレーム１の内部には２つの磁石間風路１６ｂだけでなく、４つの固定子風路１６ａが形成されるいるため、電動機内部に十分な風路が確保され、送風効率が改善されて電動機の冷却を十分に行うことができることとなった。
【００１９】
また、界磁磁石７は固定子ヨーク８に固定され、その固定子ヨーク８がフレーム１に固定される構造となっているため、界磁磁石７により形成される磁束は固定子ヨークを介して磁気回路を形成し、一方の界磁磁石７より発生した磁束は回転子３と界磁磁石７間の隙間（エアギャップ）を介して回転子３に伝わり、回転子は回転子鉄心から反対側のエアギャップを化して反対側の界磁磁石７に伝わった後、固定子ヨーク８を介して元の界磁磁石７に戻る磁気回路となっており、固定子ヨーク８の厚い部分を通るため、従来の円筒状継鉄２７の薄い部分を磁束が通るために磁束密度が高くなり、損失も増加するのに比べ、磁束密度が低くなり、損失も低減する共に、従来の界磁磁石がフレームに直接固定されているものに比べて磁石の容積が実質的に大きくなり、磁束量が５％増加し、電動機効率も向上した。
【００２０】
また、これら４つの固定子風路１６ａと２つの界磁磁石間風路１６ｂの合計断面積がフレーム内径断面積の２０％以上３５％以下に設定することが望ましいのは以下の理由に基づくものである。
図５は固定子風路１６ａ及び磁石間風路１６ｂの面積を変化させた時のモータ効率変化を表したグラフである。このグラフからも明らかなように、風路断面積比が２０％以下の場合は、モータ効率は低下する傾向にある。これは、風路断面積が少ないため、電動機内部温度も上昇し、モータ効率のみならず、ブラシ１１の発熱から整流状態も悪化し、寿命に関しても大きな影響を与える恐れを生じるからである。
また、３５％以上の場合は、高入力（３００Ｗ以上）機種での回転子３及び固定子９のさらなる小型化が困難となるため、電動送風機外形を大きくして対応する必要がでてくるからである。
【００２１】
また、２つの磁石間風路１６ｂの対応位置にそれぞれフレーム１に取付けられ、ブラシ１１を備えたブラシホルダー１０を配置することにより、ブラシ１１を直接冷却できるので、ブラシ１１の発熱によるブラシ抵抗増加及び火花不良発生による寿命低下を改善する効果がある。その理由を図６のグラフに基づいて説明する。
図６はブラシ温度とモータ効率の関係を示すグラフで、風路が十分確保された場合と風路が十分確保されない場合を見ると、本発明のように風路が十分確保された場合にはブラシ温度は低く、モータ効率は高く、従来のように風路が十分確保されない場合はブラシ温度は高く、モータ効率は低いことがわかる。
これはブラシに送風エネルギーが衝突すると、このブラシを冷却する効果としてブラシ温度が低下し、ブラシ抵抗損失が低減され、モータ効率が改善されることによる。
【００２２】
実施の形態２
図７は本発明の実施の形態２の電動送風機を示す部分断面図である。
図において、１ｃはフレーム１の開口部外径、１ｄはフレーム１の円筒部外径である。１ｅはフレーム１の開口部外径１ｃと界磁磁石７が固定される円筒部外径１ｄとの境界部分に形成されたＲ形状の段差部である。
そして、図７に示すようにフレーム１の開口部外径１ｃを寸法φＡ、界磁磁石７が固定される円筒部外径１ｄを寸法φＢとしたときに、これらの寸法関係がφＡ＞φＢとして生じるＲ形状の段差部１ｅの段差始端位置と界磁磁石７の回転ファン１３側端面位置とが同一となるように形成されている。
【００２３】
この実施の形態２のようにＲ形状の段差部１ｅの段差始端位置と界磁磁石７の回転ファン１３側端面位置とが同一となるように形成することにより、回転ファン１３が送風エネルギーを起こし、整流翼１２を介して、送風エネルギーをきれいに整流し、電動機内部である回転子３と界磁磁石７との間を通過させるときに、段差部１ｅから界磁磁石７の回転ファン１３側端面へと送風エネルギーの減衰をできるだけ抑えて通過させることが可能となり、送風時の損失をさらに低減することができる。なお、従来の交流整流子電動送風機は界磁巻線３８が送風路を妨害する場所に配置されているため、回転ファン４２で作り出される送風エネルギーが、界磁巻線３８に衝突し、送風効率が悪くなるものであった。
【００２４】
実施の形態３
図８は本発明の実施の形態３の電動送風機の固定子ヨークと界磁磁石の組立上面図、図９は同電動送風機の固定子ヨークと界磁磁石の組立側面図、図１０は同電動送風機の界磁磁石とヨーク高さの比率と寿命に関するグラフである。
図８及び図９に示すように固定子ヨーク８の高さを１とした場合、界磁磁石７の高さを１〜１．７倍の高さに設定するように形成されている。
このように固定子ヨーク８の高さを１とした場合、界磁磁石７の高さを１〜１．７倍の高さに設定することにより、整流性能及び送風効率が改善される。
これは、図１０のグラフに示すよう実験によって検証したところ、界磁磁石７が固定ヨーク８高さに対しての比率が１以下の場合、１．７以上の場合、整流不良から性能及び寿命が低下する。これは界磁磁石７にて発生する磁界と回転子３で発生する電磁界とのバランスが崩れるためと考えられる。
【００２５】
また、固定子ヨーク８の高さを１とした場合、界磁磁石７の高さを１．７倍以上ならば、界磁磁石７の磁力が強すぎて、回転子３の電磁力に干渉し、回転子３の回転力が妨げられることで、界磁磁石７の余分なエネルギーがカーボンブラシと整流子の接触部で連続的な火花（アーク）が発生し、ブラシの寿命を著しく短くさせる。また、その界磁磁石７の高さが送風エネルギーの通過の妨げとなり、送風効果を低下させることにもなる。
また、反対に固定子ヨーク８の高さを１とした場合、界磁磁石７の高さが１以下ならば、界磁磁石７より回転子３の磁力が強すぎて、こちらも回転力が妨げられる。回転子３の余分なエネルギーがカーボンブラシと整流子の接触部で連続的な火花（アーク）が発生し、ブラシの寿命を著しく短くさせる。
【００２６】
実施の形態４
図１１は本発明の実施の形態４の電動送風機のブラケットの正面図、図１２は同電動送風機の部分断側面図である。
この実施の形態４では、ブラケット２の表面で２つの界磁磁石７に対応する位置にそれぞれ界磁磁石７のＲ形状と略同形状の開口部２ａが設けられ、各開口部２ａの周縁に回転ファン１３側から界磁磁石７側に向かって延びるバーリング部２ｂが形成されている。そのバーリング部２ａの高さは界磁磁石７の端面との距離が２ｍｍ以上３ｍｍ以下を有するように形成されている。
これはバーリング部２ｂを設けることにより、回転ファン１３で作られた送風エネルギーを整流翼１２で整流し、その送風エネルギーをブラケット２のバーリング部２ｂをガイドとしてこれに沿うように流し、回転子３と固定子ヨーク８との間が強制的に冷却されるようにし、回転子３の温度を低減させ、回転子鉄損、回転子銅損を削減したものである。
【００２７】
上述した実施形態１〜４の電動送風機を電気掃除機に搭載すると、従来の直流電動送風機若しくは、交流整流子電動送風機と比較しても高効率な性能が得られるため、電気掃除機としての仕事率が高くなり、吸引力の高い高性能な電気掃除機を得ることができる。
また、実施形態１〜４の電動送風機の用途は電気掃除機に限定するものではない。さらに、その電動送風機の実施に関しては本発明の主旨に反しない限り、フレーム、回転子、固定子ヨーク、界磁磁石、ブラシホルダー、ブラシの具体的な構造、形状、位置、材質等は前記実施の形態に制約されることなく、色々な仕様に構成して実施できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は以上説明したとおり、直流整流子電動機の回転子、整流子、固定子ヨーク、界磁磁石及びブラシを有するブラシホルダーを収納した有底円筒状のフレームのの開口部外径をφＡ、前記フレームの少なくとも界磁磁石が位置する円筒部の外径をφＢとし、その寸法関係をφＡ＞φＢとして生じるＲ状の段差部の始端位置と前記界磁磁石の回転ファン側端面位置とが略同一となるように形成したので、回転ファンが送風エネルギーを起こし、電動機内部である回転子と界磁磁石との間を通過させるときに、段差部から界磁磁石の回転ファン側端面へと送風エネルギーの減衰をできるだけ抑えて通過させることが可能となり、送風時の損失をさらに低減することができるという効果がある。
【００３３】
さらにまた、ブラケットの表面で複数の界磁磁石に対応する位置にそれぞれ界磁磁石と略同形状の開口部を設け、各開口部の周縁に回転ファン側から界磁磁石側に向かって延びるバーリング部を形成し、該バーリング部の高さを界磁磁石の端面との距離が２ｍｍ以上３ｍｍ以下を有するように形成したので、回転ファンで作られた送風エネルギーをブラケットのバーリング部をガイドとしてこれに沿うように流し、回転子と固定子ヨークとの間が強制的に冷却されるため、回転子の温度を低減させ、回転子鉄損、回転子銅損を削減するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１の電動送風機を示す底面図である。
【図２】 同電動送風機を示す半断面側面図ある。
【図３】 同電動送風機を示す側面図である。
【図４】 図３の上面部のＸ−Ｘから見た断面図である。
【図５】 送風路断面積と効率に関するグラフである。
【図６】 ブラシ温度とモータ効率の関係を示すグラフである。
【図７】 本発明の実施の形態２の電動送風機を示す部分断面図である。
【図８】 本発明の実施の形態３の電動送風機の固定子ヨークと界磁磁石の組立上面図である。
【図９】 同電動送風機の固定子ヨークと界磁磁石の組立側面図である。
【図１０】 同電動送風機の界磁磁石とヨーク高さの比率と寿命に関するグラフである。
【図１１】 本発明の実施の形態４の電動送風機のブラケットの正面図である。
【図１２】 同電動送風機の部分断側面図である。
【図１３】 従来の永久磁石界磁式直流整流子電動機を示す径方向断面図である。
【図１４】 同永久磁石界磁式直流整流子電動機を示す軸方向断面図である。
【図１５】 従来の交流整流子電動機を示す側面図である。
【図１６】 同交流整流子電動機を示す上面図である。
【符号の説明】
１ フレーム、２ ブラケット、３ 回転子、５ 整流子、７ 界磁磁石、８固定子ヨーク、１０ ブラシホルダ、１１ ブラシ、１３ 送風用ファン、１６ａ 固定子風路、１６ｂ 界磁磁石間風路。

Claims (1)

1. 回転子、整流子、固定子ヨーク、界磁磁石及びブラシを有するブラシホルダを収納した有底円筒状のフレームと、フレームの開口部を閉塞して回転子の一端側を保持固定するブラケットとからなる直流整流子電動機と、直流整流子電動機の回転子と直結した送風用ファンとで構成され、送風用ファンの排気が直流整流子電動機内を通過する電動送風機において、
   前記フレームの開口部外径をφＡ、前記フレームの少なくとも界磁磁石が位置する円筒部の外径をφＢとし、その寸法関係をφＡ＞φＢとして生じるＲ状の段差部の始端位置と前記界磁磁石の回転ファン側端面位置とが略同一となるように形成したことを特徴とする電動送風機。

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