JP4021429B2 - 電動送風機、この電動送風機を用いた電気機器、およびこの電動送風機の組立て方法 - Google Patents

電動送風機、この電動送風機を用いた電気機器、およびこの電動送風機の組立て方法 Download PDF

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Description

本発明は、電動送風機、この電動送風機を用いた電気掃除機等の電気機器、およびこの電動送風機の組立て方法に関する。
特許文献1の図3によれば、制御・駆動集積回路基板を含むパッケージを、区切り板よりファン側で、ディフューザからの空気が直接当る領域のケーシングに取り付ける例が示されている。
特開平6−261847号公報(図3)
一方、特許文献1の図3に示す電動送風機では、ファンとモータとの間の風路に制御・駆動集積回路基板を含むパッケージを配置している。しかしながら、このような風路中にパッケージを配置すると風路損失が増加し、電動送風機の効率が低下する。特に、冷却をさせたいパワーデバイスを複数備えるブラシレスモータ等では、内部の風路が複雑になり、風路損失が増加する。
また、このようなファンモータでは、制御・駆動集積回路とモータとの組立て容易性について考慮しないとコストが高くなる。さらに、制御・駆動集積回路とモータとの組立て時に、固定箇所の強度的な考慮をしないと寿命信頼性が低下する。
そこで、本発明の目的は、風路損失を増加させることなくスイッチング素子等のパワーデバイスを効率的に冷却でき、さらに、ファンモータと駆動回路との組立て性および寿命信頼性を向上することである。
モータと、このモータの回転軸に取り付けられた遠心ファンと、前記モータを収納するモータケースと、前記遠心ファンを覆うファンカバーと、前記モータケースと前記ファンカバーとを連結し前記回転軸と垂直に設けられたフレームと、前記モータを駆動するための駆動回路と、前記駆動回路中のパワーデバイスと、前記駆動回路を実装する駆動回路基板と、を備える電動送風機において、 前記駆動回路基板を、前記モータと前記遠心ファンとの間で、かつ、前記フレームと平行に配置し、前記パワーデバイスは、素子部と端子から構成され、前記端子が前記素子部に対して前記回転軸側になるように前記フレームの前記モータ側に配置し、前記パワーデバイスの素子部を前記フレームに固定し、前記パワーデバイスの端子と前記駆動回路基板に設けられた配線との接続部を前記モータ側に配置した。
本発明によれば、電動送風機の風路損失を増加させることなく、スイッチング素子等のパワーデバイスを効率的に冷却することができ、さらに、組立性および寿命信頼性を向上する。
本発明の第1の実施の形態を図1ないし図6に基づいて説明する。本実施の形態の電動送風機1は、概略的には、モータ2と、このモータ2の回転軸3に取り付けられた遠心ファン4と、これらを収納するケース5とで構成されている。このケース5は、主にモータ2を収納するモータケース6と遠心ファン4を覆うファンカバー15とから構成される。
本実施の形態のモータ2は、ブラシ付きモータの例を示している。モータケース6は、後板部21による有底状構造でファンカバー15側が開口部7として開口しており、モータ2を収納する。また、モータケース6の軸方向の後面側の後板部21の中央部が後方に向けて略円筒状に突出し、内側にベアリング11bを収容するベアリング収納部13bが設けられている。このモータケース6の開口部7側を閉塞するように、フレーム8がモータケース6に、回転軸3に垂直になるように、ネジ35等により取り付けられている。このフレーム8は、モータケース6よりも外周が大きい円盤形状で、ファンカバー15の外周側下端部に連結される。このフレーム8によりモータケース6とファンカバー15とが一体化され、電動送風機1のケース5が形成される。このフレーム8の略中央には、前方に向けて略円筒状に突出し、回転軸3用の貫通孔12が開口形成されたベアリング収納部13aが設けられている。このベアリング収納部13aにベアリング11aが収納される。そして、フレーム8にはモータケース6内をファンカバー15内に連通させるための複数個のフレーム通風口10が形成されている。
フレーム8に隣接して駆動回路基板27が平行に配置され、ネジ95等によりフレーム8に固定される。この駆動回路基板27には基板外周部92とこの基板外周部92を直径方向に架橋する基板架橋部93とにより囲まれた基板風路口91が形成されている。そして、この基板風路口91は、図2に示すように、フレーム通風口10と同形状の扇形形状に形成されている。
また、フレーム8の吸込前方側には、ディフューザ14が固定されている。ディフューザ14は図4(a)に示すように、略円板上の円板部81と、この円板部81の略中心に形成されて回転軸3が貫通する貫通孔82と、フレーム8にネジで固定するためのネジ孔83a、83bと、遠心ファン4の外周部に位置するようにディフューザ14の外周縁部寄りに立設された複数の円弧状ブレード84と、図4(b)に示すように円板部81の他面側である裏面に渦巻状に立設された複数の円弧状ブレード85と、を備えている。そして、ディフューザ14は、フレーム8に対向してこのフレーム8のベアリング収納部13aの外周に嵌挿され、フレーム8にネジで固定される。
さらに、このディフューザ14の吸込前方側に遠心ファン4が配置されている。遠心ファン4は図5に示すように、主板322、側板323、及び複数の羽根324から構成されている。羽根324には複数の凸部325が設けられていて、この凸部325を、主板322と側板323とに設けられた穴326に嵌合しカシメられて、羽根324が主板322と側板323でサンドイッチされた状態でそれぞれが固定される。流入口17は、側板322の中央に形成され、そして、吐出口22は、主板322と側板323の間の外周端に形成される。
そして、フレーム8の外周部にはファンカバー15が嵌合され、このファンカバー15により遠心ファン4やディフューザ14が覆われている。このファンカバー15は、前面の中央部に遠心ファン4の通風口17に対向する吸込開口部16を有するとともに、後面の全面に後部開口部(図示せず)が形成され、全体では略円筒状に形成されている。ここに、ファンカバー15はモータケース6よりも外周寸法が大きく形成されており、これらのファンカバー15とモータケース6との連結部18は、回転軸3に直交して、その異なる径分を補う平面部により構成されている。このような連結部18はフレーム8の一部であり、ファンカバー15とモータケース6との遠心方向の外周寸法の違いを利用した段差部であり、構造的に平面部として形成することが容易である。
一方、モータ2は、図1に示すように、モータケース6に固定されたステータ19と、このステータ19の内側に配置されたロータ20とにより構成されている。そして、ロータ20の中心の回転軸3の両端部がベアリング11a,11bにより回転自在に軸支されている。さらに、モータケース6の後面近傍の周面には、略径方向に位置させて排気口としての吹出口(図示せず)が開口形成されている。
このような構成において、回転軸3が回転すると、その回転と一体に遠心ファン4が回転し、この回転によって吸引空気が、ファンカバー15の前面側に形成された吸引開口部16から遠心ファン4を通り、吐出口22から吹き出される。そして、この空気は、ファンカバー15の内周面に沿って円弧状ブレード84の間を、軸方向に広がるように流れる。次に、この空気は、円板部81裏面において、円弧状ブレード85の間を渦巻状にディフューザ14の中心に向けて流れる。このようにして、ディフューザ14は、遠心ファン4の吐出口22から吹き出される空気を、一様に整流させ、モータ2へと導く。
一方、当該電動送風機1は、図6に示すように、電力制御用のパワーデバイスであるスイッチング素子23を介して商用交流電源24に接続されている。このスイッチング素子23の制御端子には、マイコン25などで構成される電動送風機制御部26からのスイッチング信号が出力される出力部が接続されている。そして、これらスイッチング素子23及び電動送風機制御部26は駆動回路基板27に実装されている。さらに、この電動送風機制御部26には、電動送風機1の始動、停止又は電力を選択するための操作部28が接続されている。
次に、図3を用いてスイッチング素子23の取り付け構造を説明する。まず、駆動回路基板27がフレーム8に固定された状態で、スイッチング素子23の素子部181をネジ30等によりフレーム8に固定する。これにより、スイッチング素子23が、遠心ファン4の吐出口22とモータ2との間の流路29を形成するフレーム8の外面に固定される。その後、駆動回路基板27の配線183とスイッチング素子23の端子182とをはんだ等により接続する。それから、駆動回路基板27の配線183とスイッチング素子23の端子182とのはんだ等の接続部184を、樹脂等の絶縁性材料85で覆う。その後、このフレーム8とモータケース6とを固定する。
このように、本実施の形態は、駆動回路基板27を、モータ2と遠心ファン4との間で、かつ、フレーム8と平行に配置する。そして、スイッチング素子23を、その端子182が素子部181に対して回転軸3に向くようにフレーム8のモータ2側に配置する。そして、素子部181をフレーム8のモータ2側に固定し、スイッチング素子23の端子182と駆動回路基板27に設けられた配線183とのはんだ等の接続部184をモータ2側に配置し、この接続部184を樹脂等の絶縁性材料185で覆う構造である。
このような構成によれば、フレーム8の一部が、遠心ファン4の吐出口22とモータ2の上端部との間の流路29を形成する隔壁29aを構成している。そして、当該スイッチング素子23が流路29中ではなく、隔壁29aを構成するこのようなフレーム8の外側に配置されているので、ケース5内部の流路29における空気流を乱すことはない。よって、スイッチング素子23によって当該電動送風機1の流路の圧力損失を増大させることなく、スイッチング素子23の熱をフレーム8に逃がすことができる。また、スイッチング素子23が配置されるフレーム8の外面は、遠心ファン4による冷却気流においてモータ2よりも上流側に離れた位置であるので、モータ2が発生する熱の影響が小さく、冷却効果の高い部位でもあり、スイッチング素子23を効率よく冷却することができる。即ち、電動送風機1の動作時には、スイッチング素子23が配置されたフレーム8に沿った流路29を流れる空気の温度は、モータ2よりも上流側にあるので、モータ2の下流側の空気温度よりも低く、冷却効果が高いものとなる。
さらに、このような構成によれば、スイッチング素子23を平面なフレーム8に固定した後、その端子182を配線183に接続可能なので、組立て性が良好になる。さらに、スイッチング素子23が機械的にネジ30等によりフレーム8に固定された後、その端子182をはんだ等により配線183に接続するので、機械的な位置ずれの歪みによる応力が接続部184に生じることもないので、端子182と配線183との接続部184の寿命信頼性が向上する。
端子182と配線183との接続部184を樹脂等の絶縁性材料185で覆うので、その表面が滑らかになり、圧力損失が軽減される。さらに、この絶縁性材料185は、大きな電流が流れる接続部184を、空気の流れによって運ばれる空気中の微粒子の堆積から保護する。具体的に、絶縁性材料185としては、ポリプロピレンやエポキシ等の樹脂を適用する。
このような構成において、本実施の形態では、駆動回路基板27の、接続部184よりも回転軸3側に、基板風路口91を形成する。このような基板風路口91を設けることによって、スイッチング素子23の熱をフレーム8へ逃がしつつ、流路29の圧力損失を増大させることなく、ディフューザ14からの空気をモータ2へと通過させることができる。
また、図2に示すように、基板外周部92とこの基板外周部92を直径方向に架橋する基板架橋部93とにより囲まれた基板風路口91の形状と、回転軸3に略直角に配置したフレーム8に形成するフレーム通風口10の形状を略同形状にする。このような構造にすることにより、流路29の圧力損失を軽減できる。
また、図3に示すように、スイッチング素子23を囲むようにモータケース6に冷却通風孔150が設けられている。この図では、具体的に、冷却通風孔150が、スイッチング素子23を固定した近傍で回転軸3と平行なモータケース6の側面に設けられた例を示している。即ち、冷却通風孔150は、吹き出す空気がスイッチング素子23に直接当る位置、又は吹き出す空気がスイッチング素子23の周囲に直接的に強制対流を起こす位置に設けられている。冷却通風孔150は一つでも複数でも良い。
このような構成をとることによって、吸込開口部16から吸込まれた空気の一部が、この冷却通風孔150からケース5の外部に放出される。よって、この一部の空気がスイッチング素子23の表面又は近傍を通過するので、その空気の流れによってスイッチング素子23を強制空冷することができ、フレーム8への放熱と併せることにより、スイッチング素子23の冷却効果が著しく向上する。
本発明の第2の実施の形態を図7ないし図9に基づいて説明する、第1の実施の形態で示した部分と同一部分は同一符号を用いて示し、説明も省略する(後述の実施の形態でも同様とする)。
本実施の形態は、基本的には、第1の実施の形態に準ずるものであるが、ブラシ付きのモータ2に代えてブラシレスモータ41が用いられている。
まず、ブラシレスモータ41を用いる場合の駆動回路を含む駆動制御系の構成例を図9を参照して説明する。本実施の形態では、直流電源部43を駆動源として駆動されるインバータ駆動回路44から発生する交流電流によってブラシレスモータ41からなる電動送風機42を回転駆動させる。電動送風機42の駆動を制御する電動送風機制御部45とドライブ回路46a〜46fとが接続され、インバータ駆動回路44を構成するパワーMOSFET等のパワーデバイスであるスイッチング素子47a〜47fをスイッチング制御する。以下、各部の詳細を説明する。
直流電源部43は、ニッケルカドミウム(Ni−Cd)電池、ニッケル水素電池、又はリチウムイオン電池などの2次電池を複数本組み合わせた組電池、又は、商用交流電源を整流平滑したものである。この直流電圧が、インバータ駆動回路44に供給される。
インバータ駆動回路44は、6個のスイッチング素子47a〜47fを3相ブリッジ接続した構成になっている。これらのスイッチング素子47a〜47fは、マイコン48を主体とする電動送風機制御部45から出力されるパルス信号に基づき、高電圧側ドライブ回路46a〜46c及び低電圧側ドライブ回路46d〜46fにて駆動され、交流電流を電動送風機42のY結線の巻線49a〜49cに供給する。
また、電動送風機制御部45には、電動送風機42の始動、停止又は電力を選択するための操作部50、インバータ駆動回路44に流れる電流を検出する電流検出手段51、そして、入力電圧を検出する入力電圧検出手段52等が接続されている。
さらに、電動送風機制御部45には、ステータ53に囲まれたロータ54の永久磁石位置を検出するための位置検出手段55が接続されている。このような位置検出手段55としては、電気角120°間隔で設置した3つの磁気センサを用いる。磁気センサとしては、ホールセンサやホールIC等がある。また、その他の永久磁石の位置検出方法として、特に図示しないが光学式パルスエンコーダを使用する方法や、巻線49a〜49cに誘起される電圧を電圧位相検出手段によって検出する方法などが使用可能である。
このような構成において、ネジ57などによって、パワーデバイスである複数個のスイッチング素子47a〜47fがフレーム8の外面に固定され、さらに、駆動回路基板90の基板外周部92にスイッチング素子47a〜47fの端子48a〜48fが接続されている。この場合、1個のみのスイッチング素子23とは異なり複数個のスイッチング素子47a〜47fが対象となるが、これらのスイッチング素子47a〜47fは、図8に示すように、ブラシレスモータ41の回転軸3を中心に略同一円周上に、放射状に位置させている。
このような構成において、本実施の形態では、フレーム8において、モータケース6よりも外周寸法が大きい部分である連結部18が、遠心ファン4の吐出口22とブラシレスモータ41との間の流路29を構成する隔壁29aの一部を形成している。このフレーム1の外面に位置させてスイッチング素子47a〜47fがネジ57により固定されている。
このようなスイッチング素子47a〜47fの取り付け配置構造とすることによって、前述の第1の実施の形態の場合と同様に、スイッチング素子47a〜47fを、電動送風機42の風路損失を増大させることなく効果的に冷却することができる。特に、本実施の形態のようなブラシレスモータ41を駆動させる場合、スイッチング素子が複数個必要であるが、これらの複数個のスイッチング素子47a〜47fを、電動送風機42の寸法を大きくすることなく、流路の圧力損失を増大させずに、効果的に冷却することができるので、特に効果的である。
また、冷却効果がスイッチング素子47a〜47fのそれぞれでばらつくと、冷却効果の小さいスイッチング素子が最も厳しい条件で動作をすることとなり、そのスイッチング素子の寿命が他のスイッチング素子の寿命に比べて最も短くなる可能性が高い。すなわち、駆動回路基板90において、動作条件の厳しいスイッチング素子に故障が生じた場合は、駆動回路基板90の交換が必要となり、全体として電動送風機の寿命が短くなってしまう。本実施の形態では、これらの複数個のスイッチング素子47a〜47fを回転軸3を中心に略同一円周上に位置させて放射状に配置させているので、これらのスイッチング素子47a〜47fの冷却ばらつきを軽減し、均等に冷却する上でも効果的となり、スイッチング素子47a〜47fの動作、および回路動作を安定させることができる。
また、これらの実施の形態では、モータケース6の閉塞構造として有底状構造のものとして説明したが、後板部21が別部材で閉塞するように構成されたものであってもよい。
また、これらの実施の形態では、パワーデバイスとしてトライアックやパワーMOSFET等のスイッチング素子23、47a〜47fの例で説明したが、これらの素子に限らず、駆動により発熱を伴うもの、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のスイッチング素子も適用対象となり、又は、これらの素子単体に限らず、1チップにパッケージ化又はデバイス化したものでも適用対象となる。
本発明の第4の実施の形態を図10に基づいて説明する。本実施の形態は、前述したような構成の電動送風機1、42を搭載するのに特に適した電気機器としての電気掃除機への適用例である。その他の電気機器としては、ハンドドライヤー、電動工具や調理器具などがある。
本実施の形態の電気掃除機61は、その基体をなすハウジング62、一端をハウジング62に着脱自在に接続されたホース63、ホース63の他端側に設けられた手元操作部64、一端側を手元操作部64に着脱自在に接続された2分割構成の延長管65、延長管65の他端側に着脱自在に取り付けられた吸込口体66、ハウジング62内に収納保持された電動送風機1又は42、ハウジング62内に形成された集塵室67等により構成されている。
ホース63は、その基端が集塵室67を介して電動送風機1又は42の吸込側に連通するようにハウジング62に接続されており、そのホース63の他端側に設けられた手元操作部64には、後方に向けて延出した握り部68と、この握り部68を握った操作者の指で操作可能な範囲に位置する操作手段69が設けられている。
操作手段69は、電動送風機1又は42の電源スイッチを兼ね、この電動送風機1又は42を各々異なる駆動状態にする複数種類の運転モードを選択することができるように構成されている。具体的には、握り部68から延長管65の方向に向けて、運転モードを停止状態とする停止操作ボタン69a、運転モードを弱運転状態とする弱運転操作ボタン69b、運転モードを強運転状態とする強運転操作ボタン69cが一列に順次並んで配設されている。このような構成で、例えば強運転状態の時に、電動送風機1又は42は30,000〜40,000rpmレベルの高速で回転し、ゴミを吸引する。
電気掃除機のゴミ吸込力に影響を与える要因は幾つかあるが、その中に、入力電力と風路損失がある。入力電力が大きいと、ゴミ吸引力は向上するが、その電力制御をするスイッチング素子の発熱量は大きくなる傾向にある。発熱量が大きすぎる場合は、入力電力を抑制する場合もある。また、当然、風路損失が大きいと、ゴミ吸引力は低下する。従って、本実施の形態のように、風路損失を低下させることなく、パワーデバイスの冷却を効果的に実現できる前述の電動送風機1または42を搭載することは、電気掃除機61のゴミ吸込性能を向上させるために特に有効である。
本発明の第1の実施の形態の電動送風機の構成を一部切欠いて示す側面図である。 その一部の内部構成例を示す上面図である。 本発明の第1の実施の形態の電動送風機の構成を一部切欠いて示す拡大側面図である。 ディフューザの構成例を示し、(a)は平面図、(b)は底面図である。 遠心ファンを説明する図である。 当該電動送風機の駆動回路を示す概略回路図である。 本発明の第2の実施の形態の電動送風機の構成を一部切欠いて示す側面図である。 その一部の内部構成例を示す平面図である。 当該電動送風機の駆動回路を示す概略回路図である。 本発明の第3の実施の形態の電気掃除機の外観構成を示す斜視図である。
符号の説明
1 電動送風機
2 モータ
3 回転軸
4 遠心ファン
5 ケース
6 モータケース
8 フレーム
10 フレーム通風口
14 ディフューザ
15 ファンカバー
18 連結部
22 吐出口
23 パワーデバイス(スイッチング素子)
27 駆動回路基板
29 流路
29a 隔壁
30 ネジ
35 ネジ
41 ブラシレスモータ
42 電動送風機
47a〜47f パワーデバイス(スイッチング素子)
62 ハウジング
66 吸込口体
91 基板風路口
92 基板外周部
93 基板架橋部
95 ネジ
150 冷却通風孔
181 素子部
182 端子
183 配線
184 接続部

Claims (8)

  1. モータと、このモータの回転軸に取り付けられた遠心ファンと、前記モータを収納するモータケースと、前記遠心ファンを覆うファンカバーと、前記モータケースと前記ファンカバーとを連結し前記回転軸とほぼ直交して設けられたフレームと、前記モータを駆動するための駆動回路と、前記駆動回路の一部を構成し素子部と端子からなるパワーデバイスと、
    前記駆動回路を実装する駆動回路基板と、を備える電動送風機において、
    前記駆動回路基板は、前記モータと前記遠心ファンとの間の位置で、かつ、前記フレームと平行に配置され、
    前記パワーデバイスは、前記端子が前記素子部に対して前記回転軸側になるように、前記フレームのモータ側の面に配置され、かつ前記素子部は、前記フレームに固定され、
    前記パワーデバイスの端子と前記駆動回路基板に設けられた配線との接続部は、前記駆動回路基板のモータ側の面に配置されていることを特徴とする電動送風機。
  2. 前記パワーデバイスの端子と前記駆動回路基板に設けられた配線との接続部が絶縁性材料で覆われていることを特徴とする請求項1記載の電動送風機。
  3. 前記回路基板の前記接続部よりも前記回転軸側に、基板風路口を設けたことを特徴とする請求項1あるいは2の一記載の電動送風機。
  4. 前記パワーデバイスを囲むように前記モータケースに冷却孔を設けたことを特徴とする請求項1、2あるいは3の一記載の電動送風機。
  5. 前記モータがブラシレスモータであり、前記駆動回路は、このブラシレスモータに流れる電流をスイッチングする複数の前記パワーデバイスを備え、この複数のパワーデバイスそれぞれを前記ブラシレスモータの回転軸を中心に略同一円周上に位置させて、放射状に配置したことを特徴とする請求項1記載の電動送風機。
  6. 請求項1ないし5何れか一記載の電動送風機を備える電気機器。
  7. モータと、このモータの回転軸に取り付けられた遠心ファンと、前記モータを収納するモータケースと、前記遠心ファンを覆うファンカバーと、前記モータケースと前記ファンカバーとを連結し前記回転軸とほぼ直交して設けられたフレームと、前記モータを駆動するための駆動回路と、前記駆動回路の一部を構成し素子部と端子を備えるパワーデバイスと、
    前記駆動回路を実装する駆動回路基板と、を備える電動送風機の組立て方法において、
    前記駆動回路基板を、前記フレームにこれと平行に固定する工程と、
    前記パワーデバイスを、前記端子が前記素子部に対して前記回転軸側になるように前記フレームのモータ側の面に配置し、前記パワーデバイスの素子部を前記フレームに固定する工程と、
    前記フレームに固定された前記パワーデバイスの端子と前記駆動回路基板に設けられた配線とを前記基板のモータ側の面で接続する工程を有する、
    ことを特徴とする電動送風機の組立て方法。
  8. 前記パワーデバイスの端子と前記駆動回路基板の配線との接続部を絶縁性材料で覆う工程を更に有することを特徴とする請求項7記載の電動送風機の組立て方法。
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