JP4205173B2 - モーター - Google Patents

Description

本発明はモーターに関するものである。
モーター、特に屋内用家庭用具で使用されるモーターについて長年にわたり大きな発展があった。しかしながら、通常のモーターについての改良のトレンドは終わりに近づいていると一般に信じられている。従って、本発明の目的は、屋内用家庭用具のいろいろな部分に適切なパワーを供給するために適したものであって、かつ周知の通常のモーターの可能性を越えた改良をも視野に入れたモーターを提供することである。
真空掃除機のような屋内用家庭用具は、空気を真空掃除機に引き込む手段によって吸引力を形成するために使用するファンを駆動するために適用された一般的なモーターをたいてい含んでいる。真空掃除機が縦型掃除機であるときは、ブラシ棒が掃除機のヘッドに配置された汚れ空気吸入口に通常回転可能に載置されている。この構成は多くの欠点を有しており、特に駆動ベルト自体の脆弱性がある。他の欠点には、多くの場合に、駆動ベルトがブラシ棒の外面の一部に取り付けられており、そのためブラシの毛はその領域に配置することができない。もしも、真空掃除機が定常状態である間、例えば、上記の床掃除を実施している間に、何かの理由でモーターが作動しているままならば、掃除するカーペットに対してブラシ棒が回転してしまうことを防止するいくつかのメカニズムを有することも有利である。
円筒型掃除機では、汚れ空気吸入口がホースの終端部に配置されているので、主真空モーターに駆動ベルトをつけるのは非実際的であるし、また、第二の通常モーターによって直接ブラシ棒を駆動することは実際困難である。空圧動力“ターボ”ブラシが提案されているが、それらは通常非効率的であり、また、掃除機ヘッドで塵及び埃の吸い取るのに使用可能な動力ワットを低減する。
従って、本発明の目的は、駆動ブラシ棒を有し、上記の問題を低減あるいは除去する真空掃除機に使用するのに適したモーターを提供することである。本発明によれば、請求項１に記載の特徴に一致したモーターが提供される。本発明の好適な態様は、従属項に記載されている。
モーターに少なくとも２つのローターを装備することは、真空掃除機のような家庭用具の異なる２つの分離特徴部を異なる速度で駆動する際に経済的でコンパクトなやり方と認識されてきた。２つの分離ローターを駆動するのに共通のステーター及び同じワインディングあるいは共通の電源を使用することは、消費者が小さく軽い器具を求める環境においては明らかに有利である。
本発明の他の多くの実施形態は、以下のような添付図面を参照して例示することによって説明される：
図１は主モーター構成及び第二モーター構成の概略図であり；
図２ａから図２ｄは、図１の第二モーターを組み込んだブラシ棒の横又は縦断面図であり；
図３ａから図３ｄは、図１に示したような第二モーターを組み込んだ第二のブラシの断面図又は横断面図であり；
図４ａから図４ｇは、本発明による様々な態様のモーターの断面図であり；
図５ａ及び図５ｂは、本発明に対応した別な態様のモーター構成の断面図であり；
図６は、本発明によるモーターの断面図であり；
図７は、さらに本発明によるモーターの断面図であり；
図８は、本発明に対応した別な態様のモーターの断面図であり；
図９は、モーターと発電機とが互いに結合した構成を示す。
図１は、4/2二相スイッチ型主リラクタンスモーター２、24/16二相スイッチ型第二リラクタンスモーター４、及び主モーター２に結合された電源回路を示している。所望の際は、他の型のスイッチ型リラクタンスモーター（すなわち、単相、三相、四相など）も使用可能である。示した構成は、真空掃除機のファンとブラシ棒とを駆動する際に特に適したものとして認識されているが、これは考えられる唯一の適用例というわけではない。
周知のスイッチ型リラクタンスモーターに共通するのは、主モーター２が四個の突極１８ａから１８ｄを有するステーター１６を備えていることである。反対極である１８ａ及び１８ｂは、それぞれ第一の相を形成する同じ電機子ワインディング＋Ａ、−Ａを支持している。反対極である１８ｃ及び１８ｄは、それぞれ第二の相を示す同じ電機子ワインディング＋Ｂ、−Ｂを収容している。ローター２０は、ステーター１６内の軸２１に回転可能に載置され、反対極２１を備えている。ローター２０は、軸方向に薄板状のスチールから形成される。
電源は、ブリッジ整流器によって整流された主電源６からモーター２に供給される。キャパシタ１０はブリッジ出力を滑らかにするために備えられる。電機子ワインディングはのペアＡ，Ｂの各々は、個々の非対称半ブリッジ１２，１４を介して供給される。各半ブリッジ１２，１４は、二相のうちの一方に関係している。この点に関して、半ブリッジ１２はＡワインディングを、また半ブリッジ１４はＢワインディングを供給する。
連続運転の場合には、電流は、時間に関するローター位置の変化に依存し、かつそれに決定される頻度で、各ステーター位相の交互に流される。非対称半ブリッジ１２，１４のタイミングは、光学センサーあるいはホール効果センサーあるいは他の適切な手段によって主モーター及び／又は第二モーターのローター位置によって決定される。
主リラクタンスモーター２は、２個の付加的なワインディングのペア：Ｃ及びＤも含む。ワインディングペアのうちの一方のワインディングＣは、突極１８ａ及び１８ｂの一方に収容されている。ワインディングペアのうちの一方のワインディングＤは、突極１８ｃ及び１８ｄの一方に収容されている。
一方のワインディングペアＡ及びＣと他方のワインディングペアＢ及びＤとはそれぞれ変圧器の形で作動する。ワインディングペアＡ及びＢによってワインディングペアＣ及びＤに誘導された電流は、第二リラクタンスモーター４に供給される。真空掃除機のブラシ棒内に組み込むのに便利なように、このモーターは主モーター２と構造的に逆である。すなわち、ローター３０は、固定軸３４上に位置するステーター２６の半径方向外側に配置される。ブラシ棒３６の内面は、ローター３０の外面に丁度はまり、かつスプラインによって適切に固定される。
図１を詳細に参照すると、ステーター２６は１６個の極を備えていることがわかる。ローター３０は、２４個の半径方向の内へ向いた極２８を備えている。ステーター２６上に配置した極３２はペアで並び、個々のペアはそれぞれのワインディングに囲まれている。ワインディング自体は円周に沿ってペアを組み、これらのワインディングペアは、ステーターの半径方向反対側に配置した同様なワインディングペアとともにペアを組んでいる。例えば、極３２ａ及び３２ｂはＤワインディングに備えられている。円周上に隣接した極３２ｃ及び３２ｄは、第二のＤワインディングに備えられている。半径方向で反対側の３２ｅから３２ｈも同様に配置している。極３２ａから３２ｈの間の間隔は、図に示されているように、ローター極２８と一致する。しかしながら、Ｄワインディングと関係した極は、Ｃワインディングと関連したコイルから半径方向にずれており、ローター極との半径方向の対応（radial correspondece）がＤコイルと関連した極と同時にＣコイルと関連した極によっては達成できない。これは、二相構造の結果である。
第二スイッチ型リラクタンスモーター２に備えた多くの極は、ブラシ棒２６の滑らかな回転を補償する。
主リラクタンスモーター４への電源の供給は、通常は、相あたり１．２５ｋＨｚのオーダーの振動数でスイッチの切り替えが行われる（4/4単相スイッチ型リラクタンスモーターが主として使用するときには、２．５ｋＨｚのスイッチング周波数が同等である。第二のリラクタンスモーターは同時で高周波数で（多くの極から第二のワインディングの接続を切ることによって低減された割合で）スイッチングが可能である。周波数の大きさの結果として、主モーター（あるいは、電圧が主モーターの外側で下げられるならば、中間変圧器）のコイル電機子に高レベルのフラックスを生成する必要はない。第二モーター４の電圧が下げられ、主モーター２の電圧と分離されるならば、第二モーターへの電力の供給は非常に安全である。実際、供給が安全なので、安全性に問題を生ずる危険なしに、電力がホースを介して円筒型真空掃除機の吸入ヘッドに供給される。
電源回路を介して主モーター２に電力を供給することによって、主ローター２２をステーター１６内で回転させる。コイルＡ，Ｂ内を流れる電流は、コイルＣ、Ｄに電流を誘導し、それによって第二モーター３０が第二ステーター３６に対して回転する。各ステーター１６，３６及びローター２２，３０にある多くの極が回転の相対速度を決める：この例では、第二ローター３０は主ローター２２の速度の１２分の１で回転する。
ワインディングＣ、Ｄへの電気的接続を遮断するために、スイッチ３８が備えられている。スイッチは、モーターが載置された装置の状態に応答して、手動で操作するか、あるいは自動的にトリガーがかかるようにすることができる。例えば、ある状況下では真空掃除機のブラシ棒のスイッチをきることが望ましいかもしれない。スイッチ３８の操作がこれを達成することができる。真空掃除機の取っ手を直立位置に据える際に、当業者に容易に使用可能な単純な電子回路によって、スイッチを開くことが可能である。スイッチは、例えばブラシ棒の使用開始の間、断続的にも作動可能であり、それによって、ブラシ棒の回転は制御され信頼性の高い方法で速度を上げることが可能である。
第二モーター４としてスイッチ型リラクタンスモーターを使用することによって、重要な意義が生ずる。整流ブラシがないので、カーボン粉末がブラシの摩耗によって発生することがない。さらに、モーターは比較的長い寿命を有し、その速度は、リーズナブルなブラシの寿命を維持する必要性によっては制限されることがない。スイッチ型リラクタンスモーターを主モーターとして使用することによって、スイッチ型リラクタンスモーターを第二モーターとして比較的簡単に使用可能である。
図２ａから図２ｄは、真空掃除機内に配置された図１の第二モーター２をさらに詳細に示すものである。図２ａは断面図である。図２ｂから図２ｄはそれぞれ図２ａの線ＩからＩＩＩに沿ってとった横断面図である。図２ａを参照すると、ブラシ棒３６及びローター２８がステーター２６を支持するシャフト３４上のベアリング４０によって互いに載置されていることがわかるだろう。シャフト３４は両終端部が真空掃除機のハウジング４２に載置されている。横断面図図２ｃから、シャフト３４が円周部に離間して（例えば９０°間隔で）載置した４個の軸方向グルーブ４２を含んでいる。各グルーブ４２は、主モーター２から第二モーター４へ電流を供給するワイヤを収容している。
図３ａから図３ｄは、図２の構成の変形例である。図３ａは断面図で、図３ｂから図３ｄはそれぞれ図３ａの線ＩからＩＩＩに沿ってとった横断面図である。この実施形態では、断面図図３ｃから明らかなように、シャフト３４は中空で、シャフト３４内で作動する第二モーターのワインディングに電流を供給するワイヤである。
上記実施形態が主モーター内の極数より第二モーターの極数の方が多いが、これは必要条件ではない。主モーターは、環境がそれを要求すれば、第二モーターと等しい数の極数あるいはそれより多い極数を有することが可能である。例えば、洗濯機において、直接駆動として使用される主モーターは、０〜２０００ｒｐｍ程度で作動可能であり、０〜１００００ｒｐｍで作動する高速水ポンプ用の第二モーターを駆動する。このような場合、主モーターにとっては第二モーターより多くの極数を有する方が適切だろう。上記の例の場合において、主モーターは、該主モーターの速度の５倍の速度で第二モーターを駆動することが可能な極構成を有している。
図４は本発明の様々な実施形態を示しており、それらの各々では、一あるいは複数のワインディングが単一のモーターの１個以上ローターを駆動するのに使用される。図４ａは、図１から図３に示した構成に類似した実施形態を示している。モーター５００は、ワインディングＡ及び２４の外部極５０４を保持するステーター５０２を有している。外部ローター５０６はステーター５０２の外側に回転可能に放射状に設置されており、これも２４個の極５０８を保持している。複数のスプライン５１０が、外部ローター５０６と真空掃除機のブラシ棒シリンダー５１２の内面との間に配置している。この構成は、前述の図に関連して説明したのと同じ方法で、ブラシ棒５１２の回転を引き起こすのに使用することができる。
図４ａで示したモーターと前に示したモーターとの主な相違は、ステーター５０２上の４個の極５１４を備えたことである。４個の等間隔の極５１８を有する第二の内部モーター５１６は、ステーター５０２の内側に放射状に設置されている。その内部モーター５１６は中心軸５１２に対して回転可能に設置されている。
外部ローター５０６の回転と同時に電力がワインディングＡに供給されるときは、内部ローター５１６も回転することは理解されるだろう。しかしながら、内部ローター５１６の回転速度は、個々のローターとそれの関連ステーターとに備えられた極の数の差に起因して、外部５２６の回転速度の６倍となる。
この原理は多くの代替構成に適用可能で、非常に多くの代替変形例が可能であることも理解されるだろう。図４ｂ、図４ｃ、図４ｄ、図４ｅ及び図４ｆはそれぞれ、共通のワインディングを有する単相スイッチ型リラクタンスモーターあるいは２個の分離ローターを駆動するワインディングのセットの異なる構成を図示したものである。個々の場合に、個々のローターが保持する極の数は相違する。各ローターの極の数は随意変更可能であることが理解されるだろう。図４ｇは、１個のワインディングではなく２個のワインディングを有し、２個の分離ローターの駆動も可能な二相スイッチ型ローターを図示する。単一のワインディングあるいはワインディングのセットによって２個の分離ローターを駆動する利点は、モーターが占有する体積が低減され、そのため重量も低減されることである。
本発明によるモーターのローターは、単一−逆方向あるいは多方向のいずれかに回転する。
スイッチ型リラクタンスモーターの場合、回転の初期方向は、電流パルスがワインディングに付与されるときのステーター極に対するローター極の初期位置及び／又は位相スイッチ順序によって通常決められる。
図４で示したモーターを考えると、電流パルスの付与に先立ってステーターに対する適当な方向にローターを配置することによって単一方向回転あるいは逆方向回転のいずれを得ることも可能である。図５ａ及び図５ｂは、マグネット５５０が、駆動電流の供給が終了したときに次に電流が供給されるときに逆回転に対して適切な位置にあるようにローターを一時停止させておくために備えられているモーターを示す。この点について、図５ａは、駆動電流の付与に先立って初期停止位置で異なる速度出力を有するモーターを示している。図５ｂは、ワインディングが励起された後の個々のローターの回転方向を示している。図から２個のローターが互いに逆方向に回転することを示している。マグネットは、ローターの各極が特定の極にそれに隣接する極より近づいて並べるように、機能的に構成していることがわかる。従って、コイルを励起するときは、各ローターの極は最近接のステーターの極に動き、回転方向が決まる。当然、特定のモーターの回転方向を変えるために回転方向を調整するメカニズムを備えている。
１個以上のローターを有する多相スイッチ型リラクタンスモーターの代替は、相順序がローターの単一方向あるいは逆方向のいずれかを生ずるように相順序を並べることである。
上記のモーター構成によって、コスト及び機械的複雑さの禁止的増加なしに逆方向回転部材が備えることが可能になる。モーター構成は、以下のようなさらなる重要な利点も提供する。第一に、総角運動量が相殺あるいは低減されうる。これは、モーター及び／又はそれを備えた器具もしくは製品に対する加速／減速作用トルクの最小化につながる。さらに、総ジャイロ効果が相殺あるいは低減されうる。これは、通常の動きを受けやすいときにモーター及び／又はそれを備えた器具もしくは製品に対するジャイロ力の最小化につながる。このようなモーター構成によって、積み重ねの取り止めを含む様々な方法を通して音響的及び機械的振動の低減が可能になる。
上述のような逆方向ローターを有するモーターは、電動化された複サイクロンあるいは多サイクロンを回転する真空掃除機で使用されるとき、大きな利点を発揮することがかのうである。特に、モーターを容器の内部内あるいは外部内でインペラを駆動するのに使用することができる。さらに、所望ならば、サイクロンの内部あるいは外部を通る空気の流れを直列で接続でき、それによって潜在的負荷がモーターの出力間で釣り合い、電力エレクトロニクス及び／又は機械的複雑さの単純化されかつ低減されている。
スイッチ型リラクタンスモーターの場合には、主ワインディング及び／又は付加的ワインディングのスイッチング時間が、主ローター及び／又はローター上の位置センサーからの情報を利用して制御されうる。所望ならば、ローターの位置情報は（例えば、マイクロプロセッサー、結合ロジックあるいはセンサーの物理的構造を介して）、モーター及び／又はモーターを内部で使用するもしくはモーターと結合する製品／器具にとって所望の作動特性を与えるように、結合されうる。これによって、電力エレクトロニクス回路の潜在的な単純化および製品／器具の全コスト、サイズ、重量の潜在的な低減が可能となる。
図６及び図７は、例えば、図４ａで示したような双出力単相モーター用のワインディング構造の変形例を示している。図６あるいは図７のそれぞれにおいて、ステーター５０２が２個のワインディングのセットに備えられている。この点について、第一のワインディング５５０は径方向内向き極５１８の回りに巻かれており、第二のワインディングは径方向外向き極５０４の回りに巻かれている。
図７は概して図６に類似した構成を示しているが、径方向内側ワインディング５５０と径方向外側ワインディング５６０との間にはいくらか半径方向に重なりがある。この構成によって、所定の数のワインディングターンに対して大きなサイズの縮小が可能となる。
真空掃除機器具においては、空気を掃除機を介して引き込むために１個以上のインペラを備えることが可能である。典型的には、図８に示した実施形態に対応して、第一のインペラ５７０は、空気流から塵と埃を分離するバッグ（図示せず）の上流に配置することができ、一方、第二のインペラ５７２は下流に配置することができる。第一のインペラ５７０は第二のインペラ５７２よりゆっくり回転可能であるが、大きめの塵粒子の通路を確保するために大きめのサイズを有することが可能である。これは、真空掃除機の性能をさらに改良する段階的作動速度を容易にする。さらに、ローターの速度の比はファン／ローター慣性力を補償するために決められ、それによってジャイロ力が低減あるいはネットゼロにすることが可能となっている。第三のモーターをブラシ棒を回転するのに備えてもよい。
図８をさらに詳細にみると、モーターの構成は、積層極５８０を備えた軸中心ステーター５７６を支持する中心機械的支持部材５７４を備えている。極５９０はワインディング５７８を備えている。一対の軸上配列ローター５８０、５８１がステーター５７６の軸に沿った両側に備えられている。インペラ５７０，５７２がローター５８０，５８１の軸に沿った両側に支持部材５７４から離間して備えられている。インペラ５７０，５７２及びローター５８０，５８１が、支持部材５７４と一体に形成された中央シャフト５８２上に載置されている。停止マグネット５８４は、各ローター５８０，５８１の極が隣接する一対のステーター極５９０の間の中間点の円周上の反対側にそれぞれ位置する極に近接するように配置させるために備えられている。これが、ワインディングが励起されたときに、ローター５８０及び５８１を反対方向に回転させる効果を有している。インペラ５７０，５７２がモーター構成の反対側から空気を引き込むことを確かめるために、各インペラ５７０及び５７２は、他方のインペラの羽根とは反対方向を向いている羽根を有している。空気は、インペラ５７０によって真空掃除機の汚れ空気吸入口から吸い込み、そこから空気を正常化する塵及び埃集塵バッグへ送り込み、そしてインペラ５７２によってそのバッグから清浄化空気排出口へ引き込むことが可能である。
本発明の他の応用は、モーターと発電機との速度の比の変形例である。このタイプの応用例は、図９に示した自動車の内燃エンジンのターボ充電器におけるタービン及び圧縮機の速度の変形例である。これは、実際には、タービン６１６のエネルギーを吸収するスイッチ型リラクタンス発電機６１４と圧縮機６１２を駆動するスイッチ型リラクタンスモーター６１０とを使用することによって達成することができる。圧縮機６１２の速度は、タービン６１６の速度の整数倍とモーター／発電機の極の比の組み合わせに同期させることが可能であり、それによって発電機６１４の“ストローク”あたりの入力電力が直接モーター６１０の“ストローク”あたりの出力電力に変換される。このような変動比ターボ充電器は、改善されたエンジンパワー及び効率、低減された“ターボ”遅れ、構成部材の小型化と結合した高い信頼性、及び強い構造のような、標準的な一定比ターボ充電器より優れた多くの利点を有している。この構成は、製造は高価でなく、エンジン管理システムに結合することが可能である。それは、冗長性のために自動交流発電機を除去する機会も与えるかもしれない。
さらなる多くの改良例及び変形例が、単に例によって提供されかつ添付のクレームによって特定される本発明の範囲を制限しない前述の記載を参考にした当業者に示唆されるだろう。

Claims (14)

1. 共通電源によって回転する二あるいはそれ以上のローターを有するスイッチドリラクタンスモーターであって、各ローターは複数の極を有するとともに複数の極を有する共通のステーターと関連しており、前記ステーターは、前記ローターのうち第一のローターの駆動用の第１の極群と、前記ローターのうち第二のローターの駆動用の第２の極群とを有し、前記ローターの極及びステーターの極の構成は各ローターで異なり、そのため共通電源が印加されたときにそれらのローターが異なる速度で回転するモーター。
2. ステーターの極の数は各ローターに対して同じであるが、ローターの極の数は異なっている請求項１に記載のモーター。
3. 少なくとも一のローターを残りのローターの回転方向に対して反対方向に回転させる手段を備えている請求項１または請求項２のいずれか一項に記載のモーター。
4. 前記手段が、各ローターの極を隣接するステーターの極のうちの予め決められた一方の極に近接させることによって、定常のときに互いに反対方向にローターを回転させるような位置に配置されているマグネットを備えている請求項３に記載のモーター。
5. 第一のローターと第二のローターとがそれぞれスイッチドリラクタンスモーターとして作動する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモーター。
6. 第一のローターと第二のローターとがそれぞれステッピングモーターとして作動する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモーター。
7. 第一のローターがスイッチドリラクタンスモーターとして、かつ第二のローターがステッピングモーターとして作動する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のモーター。
8. モーターが真空掃除機で使用するように製造されている請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のモーター。
9. 一のローターが真空掃除機のインペラを駆動するように製造されている請求項８に記載のモーター。
10. 第二のローターが真空掃除機の第二のインペラを駆動するように製造されている請求項９に記載のモーター。
11. 一のローターが真空掃除機のブラシ棒を駆動するように製造されている請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のモーター。
12. 第二のローターがスイッチドリラクタンス発電機の一部を形成する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のモーター。
13. 第一のロータがターボ発電機の圧縮機を駆動するのに使用され、スイッチドリラクタンス発電機はタービンの力学的エネルギーを電気エネルギーに変換する請求項１２に記載のモータ。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のモーターが組み込まれた真空掃除機。

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