JP5268837B2 - 電機子ならびに電動機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気掃除機および電動工具等の各種機器に使用される電機子ならびに電動機に関する。

整流子モータの多くは、電動工具および家電機器に使用されている。これは、整流子モータの構造が他種の商用電源駆動の電動機と比較して、構造が簡単で頑丈，小型化，軽量化，高速化，高速化が容易で、始動トルクが大きいなどの特徴を有するからである。

一方で、整流子モータの寿命がブラシの寿命と直結しているという欠点を有しており、ブラシ長寿命化のために良好なブラシ整流特性を得るための取組みが行われている。

特許文献１には、いわゆる異数巻と呼ばれる巻線加工にて、１つのスロットに整流タイミングの異なるコイル群を２ヶ配置し、コイルの本数を制御することで先に整流が終了するコイルと後に整流が終了するコイルとの整流電圧を均一化し良好な整流特性とし、長寿命な交流整流子電動機を得る技術が開示されている。

特許文献２には、前記異数巻の適用において、第１コイル群と第２コイル群のスロットへの巻線方法が開示されている。

しかしながら、良好な整流特性を得るために適用される特許文献１，特許文献２記載の異数巻が、電機子の回転バランスに悪影響を及ぼし、結果として満足な整流特性が得られないことが明らかとなった。

以下その理由を詳述する。図１は従来の巻線の模式図を示すものである。回転に対して先に整流が終了する回転方向前位の第１コイルをＣ₁、同様に後から整流が終了する回転方向に対する後位の第２コイルをＣ₂とし、１２ヶのスロットＡ〜Ｌ内に２４個のコイルＣ１Ａ，Ｃ２Ａ〜Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌを巻線する。コイルＣ１ＡとはスロットＡから巻き始めた第１コイルを意味する。第１コイルＣ₁の巻数ｎ₁＝６本，第２コイルＣ₁の巻数ｎ₂＝８本である。

さらに作業効率の面から１２ヶのスロットを１８０°ずつ２分割し、第１スロット群Ａ〜ＦでＣ１Ａ→Ｃ１Ｂ→……→Ｃ１Ｆを巻線すると共に、第２スロット群Ｇ〜ＬでＣ１Ｇ→Ｃ１Ｈ→・・・・・・→Ｃ１Ｌを巻線する。さらに第１コイルＣ₁の巻線終了後、図２に示すように第２コイルＣ₂を巻線する。第２コイルＣ₂も第１スロット群Ａ〜ＦでＣ２Ａ→Ｃ２Ｂ→……→Ｃ２Ｆと巻線すると共に、第２スロット群Ｇ〜ＬでＣ２Ｇ→Ｃ２Ｈ→……→Ｃ２Ｌを巻線する。なお、図１と図２は第２スロット群の巻線は省略した。

一般的に電機子鉄心にコイルを巻回するための巻線方法として、図３に示すようなガイド１を設け、ガイド１に沿ってコイル２を巻回して電機子鉄心３の外周面にティース４の間に形成されたスロット５に挿入する。

ガイド１は最後のスロット５のコイル２が巻け、かつ各スロット５を巻線して行く途中、ガイド１がコイルエンド（図示せず）に干渉しないように十分な逃げを設けている。よってガイド１はコイル２をスロット５の入口までしか案内出来ず、ガイド１から外れたコイル２は巻線機のテンションの引き回しによって、引き回し側のスロット側面に偏り、何れのコイル２も最短距離を通ろうとする。つまり、コイル２のテンションは図中矢印Ｆの方向に加わっており、スロット底部にコイル２を押込む方向に働いていない。このため、側面を巻き上がりながら数巻後では巻線崩れが起き、スロット内でのコイル弛みやコイルの交差の原因となり、デッドスペースが生じる。また、コイルエンド部はコイルの巻上がりで隣のスロットを塞ぎ、隣のスロット内巻線スペースが限定されてしまう。よって、後に巻装されるコイル程、先に巻回されたコイルの上に乗るかあるいはその外側へ迂回して行く。

前記した図３にて具体的に示すと、例えばＣ２Ａの巻線にはスロットＡ内でＣ１ＡとＣ１Ｈが巻線を阻害し、コイルエンドではＣ１Ａ，Ｃ１Ｂ，Ｃ１Ｃ，Ｃ１Ｄ，Ｃ１ＥとＣ１Ｉ，Ｃ１Ｊ，Ｃ１Ｋ，Ｃ１Ｌが巻線を阻害する。さらにＣ２Ｂでは、上記同様のＣ₁コイルの影響のほかに、コイルＣ２Ａにより巻線面積が限定される。よって、Ｃ２ＢはＣ２Ａよりも先に巻線されたコイルの上に乗るかあるいはその外側を迂回していく。以下同様の現象は各スロットにて発生する。ゆえに、最終巻線Ｃ２Ｆは既に巻線された第１コイルＣ₁シリーズの影響と第２コイルＣ₂シリーズの影響によりスロット内に納まらず、不可避的にスロット開口付近にコイルが分布することがわかった。同様のことはＣ２Ｌでも発生している。

また、図４に示す電機子外観図のように、電機子６は電機子鉄心３と整流子７がシャフト８により一体化成形されており、コイル２が巻装された電機子巻線９からの渡り線（図示せず）を回転軸上に巻きつけながら整流子片７Ａと接続されており４８本の渡り線が存在する。この渡り線の存在もスロット内コイルの巻線の乱れの原因である。

上記理由により電機子は、周方向に隣接する巻線が一部重なるように巻装されるものは特に、巻線長さの差が異なり、電機子巻線周方向の重量バランスが崩壊し、回転アンバランスの発生要因の一つとなっていた。

このような回転アンバランスを修正するために、後工程において回転電機子にバランス修正材を付与するプラス修正法や、電機子鉄心３を削るというマイナス修正法を行うなどして、回転バランスを調整している。特に、電動機の回転数が３００００回転／分となる掃除機用整流子電動機では、機械損の低減と、カーボンブラシと整流子との接触を一定化するために、回転アンバランスの修正は必須である。電動工具や家電機器への適用電動機のバランス修正法としてはマイナス修正法が広く用いられている。これはバランス修正材を付与するようなプラス修正法であると、経時劣化や製品の落下などによるバランス修正剤の脱落・飛散などによる製品信頼性への影響が大きいためである。

電機子鉄心３の切削によるバランス修正を行った場合、切削箇所は局所的にティース部が欠如し電機子と固定子の距離が設計値よりも拡がる。よって、モータの回転に伴い固定子と各ティースとの距離に長短が発生し、回転に伴いランダムな磁気アンバランスが発生し、電機子が磁気振動し、回転電機の振動騒音に影響を及ぼす。

つまり、電動機の回転数が３００００回転／分となる掃除機用整流子電動機では、整流改善のために特許文献１，特許文献２の異数巻技術を適用しただけでは、ティース形状が電機子鉄心切削により変形しているため、設計通りの整流特性を得ることが出来ず、ブラシ寿命を満足できない課題があった。また、整流改善のために適用した異数巻が回転アンバランスを発生させ、回転アンバランスの修正を電気子鉄心切削により調整するために、結果として整流が乱れるといった矛盾点があった。

さらに特許文献３には、家庭用掃除機や電動工具等に使われる整流子電動機の電機子鉄心に関して、電機子巻線が占めることの出来ないスロット部を利用しティース先端部の幅を広くし、電機子巻線の占積率を低下させることなく、磁束の飽和を緩和する技術が公開されている。しかし、巻線により回転バランスが乱れることと、回転アンバランス修正を目的に電機子コアを切削するため、各ティースの形状が初期形状と異なることを考慮していない。

特許第３０４７５４４号 特開第３２９６６８１号 特開平６−２９２３３２号公報

従来技術では、電機子を高速回転モータに適用するにあたり、巻線工夫により整流を確保する技術や、電機子鉄心形状により磁束密度の集中を回避する技術は開示されているが、電機子鉄心を切削することにより回転アンバランスを調整した際にティース形状が変わり磁気バランスが崩れ、結果として、ブラシの整流不良による寿命の低下、電動機効率の低下、さらには、振動・騒音問題を抱えていた。

本発明は上記課題を解決するために、本発明は、第１コイルは先に整流が終了する回転方向前位のコイルとなるよう巻数をｎ₁巻装し、前記第２コイルは後に整流が終了する回転方向後位のコイルとなるよう巻数をｎ₂巻装し、電機子鉄心のスロット内半径をＲ₁、電機子鉄心のスロット外半径をＲ₂、ティース幅の半分をＷ、ティースのなす角の半分をθ、巻線コイルの線径をＲ_c、各巻装工程のコイル乱れを第１コイルの巻装係数をｋ₁、第２コイルの巻装係数をｋ₂（２ｋ₁≦ｋ₂，０≦ｋ₁≦Ｒ_c，０≦ｋ₂≦Ｒ_c）と定義した場合、次式（１）（２）で定義した第１コイル群の重心位置をＧ₁、第２コイル群の重心位置をＧ₂に対して、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８となるように、第１コイル本数ｎ₁と第２コイル本数ｎ₂を決定した。

または、本発明は上記課題を解決するために、本発明は、１.８≦（第１コイルの巻数ｎ₁）／（第２コイルの巻数ｎ₂）≦３.７を満たすようにした。

または、第１コイルは先に整流が終了する回転方向前位のコイルとなるよう巻数をｎ₁巻装し、第２コイルは後に整流が終了する回転方向後位のコイルとなるよう巻数をｎ₂巻装し、電機子鉄心のスロット内半径をＲ₁、電機子鉄心のスロット外半径をＲ₂、ティース幅の半分をＷ、ティースのなす角の半分をθ、巻線コイルの線径をＲ_c、各巻装工程のコイル乱れを第１コイルの巻装係数ｋ₁、第２コイルの巻装係数をｋ₂と定義した場合、次式（１）（２）で定義した第１コイル群の重心位置をＧ ₁ 、第２コイル群の重心位置をＧ ₂ に対して、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値が所定の値以下になるように、第１コイルの巻数ｎ₁と第２コイルの巻数ｎ₂を決定し、ただし、巻装係数ｋ₁，ｋ₂は、ｋ₁＜ｋ₂、かつ０＜ｋ₁≦Ｒ_c，０＜ｋ₂≦Ｒ_cを満たすこととした。

本発明によれば、電機子の回転アンバランスが小さいため回転アンバランス修正における電機子鉄心切削量が減少する。よって、ティース毎の磁気バランスがほぼ均一となり、磁気バランスと回転バランスを両立することができ、高効率，長寿命かつ低振動，低騒音の電機子を提供できる。

また、巻線数の多い第１のコイルを先に、すなわち下に巻いてしまうので、電機子巻線のコイルエンド部を小さくまとめ、その分、回転軸方向の長さを短縮でき、小型化および高速回転対応の軸剛性が確保できる。

さらに、コイルエンド部のバラツキも小さいため、ワニス処理の均一性が向上し、レアショートの少ない回転電機子となる。

さらに、コイルエンド部の風損低減や飛散物からの保護として施される樹脂塗工性が改善される。

従来の電機子巻線の前期状態を示す電機子平面図。 従来の電機子巻線の後期状態を示す電機子平面図。 巻線工程におけるコイル乱れ模式図。 電機子外観図。 本発明が適用される電動送風機の縦断面図。 本発明が適用される整流子電動機の電機子巻線における各コイルの結線状態を示す説明図。 本発明が適用される整流子巻線の前期の状態を示す電機子平面図。 本発明が適用される整流子巻線の後期の状態を示す電機子平面図。 本発明における第１コイル重心Ｇ₁，第２コイル重心Ｇ₂の説明図。 本発明における解析結果例 実施例１。 本発明における解析結果例 比較例１。 実施例１と比較例１の回転アンバランス量分布。 本発明における実施例１の回転アンバランス修正後の電機子模式図。 比較例１における回転アンバランス修正後の電機子模式図。 実施例２と比較例２における第１コイル重心Ｇ₁，第２コイル重心Ｇ₂の比較。

従来技術では、電機子を高速回転モータに適用するにあたり、巻線工夫により整流を確保する技術や、電機子鉄心形状により磁束密度の集中を回避する技術は開示されているが、電機子鉄心を切削することにより回転アンバランスを調整した際にティース形状が変わり磁気バランスが崩れ、結果として、ブラシの整流不良による寿命の低下、電動機効率の低下、さらには、振動・騒音問題を抱えていた。

本発明は上記課題を解決するために、回転アンバランスの原因となっていたコイル巻線のバラツキの影響を低減するよう回転電機子のスロット内に各コイルを配列する。この配列方法により、回転アンバランス量を低減することが可能となり、アンバランス修正のための切削量が低減できる。このため、回転バランスと磁気バランスの両立が可能であり、高効率，低振動，低騒音，長寿命の電機子を提供できる。

回転アンバランス修正のための電機子コア切削量の大きな電機子は、製造工程の中で第２巻線と呼ばれるスロット開口部側に巻線される工程でのバラツキが大きいことがわかった。よって、この第２巻線によって発生する回転アンバランスを最小化することを考えた。

一般に回転体のアンバランス量Ｕは、重量ｍ（ｇ），中心からの距離ｒ（mm）とした場合、式（３）として示すことが出来る。つまり同じ重量ｍにおいて、中心からの距離ｒが小さくなればアンバランス量は小さくなることになる。または、同じ中心からの距離ｒにおいて、重量ｍが小さくなればアンバランス量は小さくなる。

（数３）
Ｕ＝ｍｒ（ｇ・mm） …式（３）

第１コイルは先に整流が終了する回転方向前位のコイルとなるよう巻数をｎ₁巻装し、前記第２コイルは後に整流が終了する回転方向後位のコイルとなるよう巻数をｎ₂巻装し、電機子鉄心のスロット内半径をＲ₁、電機子鉄心のスロット外半径をＲ₂、ティース幅の半分をＷ、ティースのなす角の半分をθ、巻線コイルの線径をＲ_c、各巻装工程のコイル乱れを第１コイルの巻装係数をｋ₁、第２コイルの巻装係数をｋ₂（２ｋ₁≦ｋ₂，０≦ｋ₁≦Ｒ_c，０≦ｋ₂≦Ｒ_c）と定義した場合、次式（１）（２）で定義した第１コイル群の重心位置をＧ₁、第２コイル群の重心位置をＧ₂に対して、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８となるように、第１コイル本数ｎ₁と第２コイル本数ｎ₂を決定すると、電機子コア切削量が大幅に低減できることを見出した。

巻装係数ｋ₁，ｋ₂とは既述したように、（１）スロット内でのコイルの弛みやコイルの交差によってデッドスペースが生じること、（２）既に巻装されたコイルが隣接するスロットを塞ぎ、後で巻装されるコイル程、先に巻装されたコイルの上に乗るかあるいはその外側へ迂回して行くこと、さらには、（３）電機子巻線から整流子片への渡り線の影響に巻難くなることにより、コイルがスロット内で乱れ、結果としてコイル重心位置が変動することを偏差として考慮したものである。

Ｇ₁，Ｇ₂とは式（３）において、第１コイル群の重心までの距離、第２コイル群の重心までの距離を示す。ｎ₁は第１コイル群の重量、ｎ₂は第２コイル群の重量と相関にある。なぜならば、（各コイル重量）＝（コイル本数）× (コイル半径)²×（電機子鉄心積厚）×（コイル比重）で求めることが可能である。よって、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）は（本・mm）という単位を有し、アンバランス量の単位（ｇ・mm）と相関のある値となっている。

本発明によれば、電機子の回転アンバランスが小さいため回転アンバランス修正における電機子鉄心切削量が減少する。よって、ティース毎の磁気バランスがほぼ均一となり、磁気バランスと回転バランスを両立することができ、高効率，長寿命かつ低振動，低騒音の電機子を提供できる。

また、巻線数の多い第１のコイルを先に、すなわち下に巻いてしまうので、電機子巻線のコイルエンド部を小さくまとめ、その分、回転軸方向の長さを短縮でき、小型化および高速回転対応の軸剛性が確保できる。

さらに、コイルエンド部のバラツキも小さいため、ワニス処理の均一性が向上し、レアショートの少ない回転電機子となる。

さらに、コイルエンド部の風損低減や飛散物からの保護として施される樹脂塗工性が改善される。

以下、本発明の実施例を図５〜図１５にて説明する。

図５は電気掃除機などに用いられる電動送風機の縦断面図を示す。電動送風機１０は電動機部１１と送風機部１２から構成され、電動機部１１は整流子電動機からなっている。

整流子電動機からなる電動機部１１において、電機子６はシャフト８と、電機子鉄心３と、シャフトゼツ１３と、この電機子鉄心３とシャフトゼツ１３のスロット（図示せず）に巻回された各コイル（図示せず）からなる電機子巻線９と、整流子７とから構成され、電機子巻線の各コイルの両端は整流子７の各整流子片７Ａに電気的に接続されている。なお、電機子７にはコイル巻線後、絶縁と遠心力によるコイル変形防止のため、既知の方法でワニス処理がなされている。また、コイルエンドに風損低減や飛散物からのコイル保護のためにエポキシ樹脂を塗布する場合がある。固定界磁体１４は界磁鉄心１５と、これに巻線された各界磁コイル１６からなる界磁巻線とから構成される。ハウジング１７とエンドブラケット１８によって構成された電動機ケース内には電機子６と固定界磁体１４が収納され、電機子６の両端部はハウジング１７とエンドブラケット１８によってそれぞれ支持固定された２つの軸受け１９により回転可能となっている。また、カーボンブラシ２０はカーボンブラシホルダー２１内に保持され、バネ２２の圧力により整流子７の周面上に摺動可能に圧接されている。なお、電動機部１１への給電は界磁コイル１６→カーボンブラシ２０→整流子７→電機子巻線９の順で行われる。

本実施例では、整流子７の整流子片７Ａの数は２４個で、電機子鉄心３に形成されたスロット数は１２個であるため、電機子巻線９のコイル群数は、図６に示すように１つのティース４に２つのコイルＣ₁とＣ₂がそれぞれ巻線されることになる。図６において異数巻と称される巻装方法を説明する。電機子６の回転方向は矢印方向であり、スロットＡには先に整流が終了する回転方位前位のコイルＣ１Ａと後に整流が終了する回転方位後位のコイルＣ２Ａの２つのコイル２が巻装されている。次に隣のスロットＢには、それぞれ第１のコイルＣ１Ｂ、第２のコイルＣ２Ｂが巻装され、順次各スロットＣ，Ｄ，……，Ｌまで同様に巻装されている。これは整流を改善し、カーボンブラシ２０の寿命の向上と、電動機効率を向上させるためである。同一スロット内での第１コイルＣ₁と第２コイルＣ₂において、第１コイルＣ₁が整流を終了する瞬間には、これに隣接する第２のコイルＣ₂は既に整流作用を始めており、かつカーボンブラシ２０によって短絡されている。このため第１コイルＣ₁と第２コイルＣ₂に相互誘導作用が生じ、第１コイルＣ₁の整流終了時に実効インダクタンスが小さくなり、リアクタンス電圧も小さくなる。

図７は本発明の巻線の模式図を示すものである。回転に対して先に整流が終了する回転方向前位の第１コイルをＣ₁、同様に後から整流が終了する回転方向に対する後位の第２コイルをＣ₂とし、１２ヶのスロットＡ〜Ｌ内に２４個のコイルＣ１Ａ，Ｃ２Ａ〜Ｃ１Ｌ，Ｃ２Ｌを巻線する。コイルＣ１ＡとはスロットＡから巻き始めた第１コイルを意味する。本実施例では、第１コイルは内周側に位置し、第２コイルは外周側に位置することとなる。

さらに作業効率の面から１２ヶのスロットを１８０°ずつ２分割し、第１スロット群Ａ〜ＦでＣ１Ａ→Ｃ１Ｂ→……→Ｃ１Ｆを巻線すると共に、第２スロット群Ｇ〜ＬでＣ１Ｇ→Ｃ１Ｈ→・・・・・・→Ｃ１Ｌを巻線する。さらに第１コイルＣ₁の巻線終了後、図８に示すように第２コイルＣ₂を巻線する。第２コイルＣ₂も第１スロット群Ａ〜ＦでＣ２Ａ→Ｃ２Ｂ→……→Ｃ２Ｆと巻線すると共に、第２スロット群Ｇ〜ＬでＣ２Ｇ→Ｃ２Ｈ→……→Ｃ２Ｌを巻線する。なお、図７と図８は第２スロット群の巻線は省略した。当然、スロットを分割することなく、巻線機１台でＣ１Ａ→Ｃ１Ｂ→……→Ｃ１Ｌを巻線後、Ｃ２Ａ→Ｃ２Ｂ→……→Ｃ２Ｌを巻線加工してもよい。

ここで、先に図３を用いて説明した理由により、第１コイルＣ₁に比べ第２コイルＣ₂が巻線時にスロット５内で、（１）スロット内でのコイルの弛みやコイルの交差によってデッドスペースが生じること、（２）既に巻装されたコイルが隣接するスロットを塞ぎ、後で巻装されるコイル程、先に巻装されたコイルの上に乗るかあるいはその外側へ迂回して行くこと、さらには、（３）電機子巻線から整流子片への渡り線の影響に巻難くなること、などの理由により巻線バラツキが発生する。そこで、不可避的に発生する巻線バラツキの回転アンバランス量への影響を最低限に留めるために巻線バラツキと回転アンバランス量の相関を求めた。図９に示すように、第１コイルは先に整流が終了する回転方向前位のコイルとなるよう巻数をｎ₁巻装し、前記第２コイルは後に整流が終了する回転方向後位のコイルとなるよう巻数をｎ₂巻装し、電機子鉄心のスロット内半径をＲ₁、電機子鉄心のスロット外半径をＲ₂、ティース幅の半分をＷ、ティースのなす角の半分をθ、巻線コイルの線径をＲ_c、各巻装工程のコイル乱れを第１コイルの巻装係数をｋ₁、第２コイルの巻装係数をｋ₂（２ｋ₁≦ｋ₂，０≦ｋ₁≦Ｒ_c，０≦ｋ₂≦Ｒ_c）と定義し、第１コイル重心Ｇ₁と第２コイル重心Ｇ₂を求める式（１）（２）を導出した。導出した式を用い、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）を最小にすれば良いことを見出した。なお、台形の高さは、スロット深さを第１コイルと第２コイル比で分割した値とした。

計算例として、コイル総本数（ｎ₁＋ｎ₂）を１４本、電機子鉄心のスロット内半径Ｒ₁を１２mm、スロット外半径Ｒ₂を１８.５mm、ティース幅の半分を１.７mm、ティースのなす角の半分θを１５度、巻線コイルの線径Ｒ_cを０.７mm、スロット開口部側のティースコーナー部Ｒ_tをＲ＝０.５mmの場合の、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）の関係を示す。実施例１として、記述の理由（１）〜（３）により、第１コイルより第２コイルが乱れることを考慮した本発明の場合（ｋ₁＝０.１，ｋ₂＝０.２５の場合）として図１０に、比較例１としてコイルの乱れを考慮しない場合（ｋ₁＝ｋ₂＝０の場合）を図１１にそれぞれ示した。ｋ₁＝ｋ₂＝０では、図１１に示すように、コイルの乱れを考慮しないこととなるので、図１０では、ｋ₁＞０，ｋ₂＞０とし、かつ、第１コイルより第２コイルが乱れるため、ｋ₁＜ｋ₂とし、例示として、ｋ₁＝０.１，ｋ₂＝０.２５とした。

図１０に示すように、ｋ₁＝０.１，ｋ₂＝０.２５とした場合、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）が、棒グラフで示した値を中央（基準）として、エラーバーで示した範囲だけ上下にばらついている。エラーバーの長さ（範囲）そのものが、バラツキの大きさを示し、エラーバーの上端値が、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）が大きい側に最もばらついたときの（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）の値を示し、エラーバーの下端値が、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）が小さい側に最もばらついたときの（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）の値を示す。エラーバーの上端値は、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）がばらついたときの最大値ともいえる。

図１０では、第１コイル巻数ｎ₁が１０本、第２コイル巻数ｎ₂が４本の時に（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値が最小で、左右非対称のグラフとなっている。（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値が最小となるのは、第１コイル巻数ｎ₁と第２コイル巻数ｎ₂とが同数の７本のときではなく、第２コイル巻数ｎ₂よりも第１コイル巻数ｎ₁が多い第１コイル巻数ｎ₁が１０本、第２コイル巻数ｎ₂が４本のときである。また、バラツキ（エラーバーの長さ）が最小となるのは、第１コイル巻数ｎ₁が１１本、第２コイル巻数ｎ₂が３本のときであるが、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値が最小となるのは、第１コイル巻数ｎ₁が１０本、第２コイル巻数ｎ₂が４本のときである。これは、コイルの乱れを考慮しない場合（図１１であり図１０の棒グラフ）、第１コイル巻数ｎ₁が１０本、第２コイル巻数ｎ₂が４本のときの（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）よりも、第１コイル巻数ｎ₁が１１本、第２コイル巻数ｎ₂が３本のときの（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のほうが大きいため、バラツキが小さい第１コイル巻数ｎ₁が１１本、第２コイル巻数ｎ₂が３本のときの（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値よりも、バラツキが大きい第１コイル巻数ｎ₁が１０本、第２コイル巻数ｎ₂が４本のときの（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値が小さい。また、第１コイル巻数ｎ₁と第２コイル巻数ｎ₂の組み合わせが、（９−５），（１０−４），（１１−３）の３つの場合に、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８である。この時の、（第１コイル巻数ｎ₁）／（第２コイル巻数ｎ₂）を巻線比とすると１.８〜３.７であった。なお、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８とは、巻線起因のアンバランス量を電機子鉄心切削により修正する際に、ティース１ヶ分未満の範囲である。（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値は、２２８以下に限定されず、巻線起因のアンバランス量を電機子鉄心切削により修正する際に、ティース１ヶ分未満の範囲となる所定の値以下であればよい。（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値が最小となる第１コイル巻数ｎ₁および第２コイル巻数ｎ₂の組み合わせが最も効果が高いため好ましいが、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８であれば一定の効果があるため、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８となる第１コイル巻数ｎ₁および第２コイル巻数ｎ₂の組み合わせが複数ある場合は、その中から選択すればよい。または、第１コイル巻数ｎ₁および第２コイル巻数ｎ₂の組み合わせを、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値の小さいほうから例えば３つ選択し、その３つの中から選択してもよい。

一方、図１１では、１４本のコイルに対し、第１コイル巻数ｎ₁が７本、第２コイル巻数ｎ₂が７本の時を中央（基準）としてほぼ左右対称のグラフとなっている。第１コイル巻数ｎ₁が７本、第２コイル巻数ｎ₂が７本のときが、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）が最小である。例えば第１コイル巻数ｎ₁が４本で第２コイル巻数ｎ₂が１０本の時も、第１コイル巻数ｎ₁が１０本で第２コイル巻数ｎ₂が４本の時も、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）は大差ない。

上記を検証するために、第１コイル巻数ｎ₁が１０本で第２コイル巻数ｎ₂が４本の場合と、第１コイル巻数ｎ₁が４本で第２コイル巻数ｎ₂が１０本の場合を、それぞれ３０ヶずつ試作し、アンバランス量を測定した。試作結果を図１２に示した。明らかに、第１コイル巻数ｎ₁が１０本で第２コイル巻数ｎ₂が４本の方が回転アンバランス量は小さいことがわかった。

さらに、第１のコイル巻数ｎ₁の巻回数が多いため、すなわちスロット５の底部（内周側）に巻線するため、コイルエンド部を小さくまとめることが可能であった。コイルエンド部が小さくなれば、回転軸方向の長さを短縮でき、更なる小型化が可能なこともわかった。当然、軸長が短くなることで軸剛性が向上し、高速回転対応の可能なこともわかった。

また、図１３に示すように第１コイル巻数ｎ₁が１０本で第２コイル巻数ｎ₂が４本におけるアンバランス修正は、無調整で高速回転できる電機子、またはシャフトゼツ１３など、電機子鉄心３以外の構成部材を切削することで、回転アンバランスの修正が可能であることがわかった。

一方で、第１コイル巻数ｎ₁が４本で第２コイル巻数ｎ₂が１０本のアンバランス修正は、図１４に示すように電機子鉄心３を大きく切削加工せねば、回転アンバランスを修正できなかった。さらに、大きく切削加工した電機子を組み込んだ電動機は効率が低く、騒音・振動も大きく、電気掃除機の社内規格を満足しなかった。

ここで、巻装係数について述べる。巻装係数とは重心に対する偏差を示すものである。設計値の重心に対して実際に巻装した電機子巻線の重心がずれてしまうのは、既述した理由により、（１）スロット内でのコイルの弛みやコイルの交差によってデッドスペースが生じること、（２）既に巻装されたコイルが隣接するスロットを塞ぎ、後で巻装されるコイル程、先に巻装されたコイルの上に乗るかあるいはその外側へ迂回して行くこと、さらには、（３）電機子巻線から整流子片への渡り線の影響に巻難くなるためである。これら巻線の難加工性因子として、巻数ｎとコイル線径Ｒ_cに起因する。つまり、同一面積のスロット内に巻装加工する際に、巻数ｎが多いほど、コイル線径Ｒ_cが多いほど巻き難い。そこで、重心の偏差を（係数ｋ）×（巻数ｎ）×（コイル線径Ｒ_c）と定義した。また、第１コイルＣ₁の重心位置Ｇ₁が変動するのは、第１コイルＣ₁の巻装起因であるが、第２コイルＣ₂の重心Ｇ₂の変動には、第２コイルＣ₂の巻装起因とともに、土台となる第１コイルＣ₁の重心位置Ｇ₁が既に変動していることを考慮する必要がある。そこで、第２コイルＣ₂の巻装係数をｋ₂は、第１コイルＣ₁の巻装係数ｋ₁の２倍以上であると見積ることが出来る。また、緻密に巻装するよう制御された巻装機において、その誤差はコイル線径Ｒ_c程度と見積ることが可能である。そこで、第１コイルＣ₁の巻装係数ｋ₁、第２コイルＣ₂の巻装係数をｋ₂は、２ｋ₁≦ｋ₂、かつ０≦ｋ₁≦Ｒ_c，０≦ｋ₂≦Ｒ_cという限定を設定した。ただし、第２コイルＣ₂の巻装係数をｋ₂は、第１コイルＣ₁の巻装係数ｋ₁の２倍より小さくてもよい。

本発明に用いられる線径Ｒ_cは、０.５０〜１.０mmが好ましい。これは、線径が０.５mm未満では銅損が高くなり、電動機効率が悪化する。一方、１.０mmより太い場合は巻線加工が難しく、かつ送風機の回転数が高速であるため高周波電流となり、表皮効果により銅線の表層のみに電流が流れるため無意味である。

本実施例では、第１コイルの径ｄ₁と第２コイルの径ｄ₂をｄ₁＝ｄ₂＝０.７０mmにて行ったが、ｄ₁＞ｄ₂としてもよい。これは、ｄ₁＞ｄ₂とすることで第２巻線Ｃ₂の巻線加工が容易になりスロット５内でのコイルバラツキが低減できると共に、たとえスロット５内で乱れても、線径が細い分コイル重量が低減でき、回転アンバランス量は小さくなるためである。

また、本実施形態はワニス処理を行い、電機子鉄心とコイルを一体化していることが好ましい。ワニスは既知の方法で含浸や塗布すればよい。ワニス処理を行うことで、巻線コイル間および電機子鉄心との電気的絶縁、また、電動機回転中の遠心力によりコイルが動いたり、コイルにかかる遠心力によりコイルが整流子との接続部より離脱することを防止できる。

さらに、コイルエンド部にワニスとは異なる樹脂を塗布し、風損低減や飛散物からのコイル保護を行うことが好ましい。３００００回転以上／分と高速回転する掃除機用電動機は、全損失のうち風損が約１０％占めている。数千回転／分クラスの電動機では風損の割合は２〜３％であり、掃除機用電動機の風損低減が重要である。また、コイルエンド部に樹脂を設けることで、気流中の浮遊物からコイルエンド部を保護することも可能である。

これら、ワニス処理とコイルエンドに樹脂を塗工する工程にて、本発明は優位性を有する。本発明はコイル本数の多い第１コイルＣ₁が下側に巻かれているため、コイルエンド部では、コイル本数の少ないＣ₂が規則正しい市松模様を呈しながら露出している。よって、ワニス処理時にはコイル間の空隙よりワニスの速やかな含浸を促進する。また、ワニス固化時には市松模様がアンカー効果をもたらし、ワニスの固着性を向上させる。

さらに、比較例では巻線の重なりによる凹凸が残ったワニス処理済のコイルエンドに、風損低減を目的として樹脂を塗布していたが、本発明では、巻線の重なりによる凹凸そのものが小さく、均一にワニス処理を施すことが可能であるため、樹脂を再度塗工する際は、表面張力を用いることでドーム状の樹脂膜を成形し易くなり、風損低減に優位となる。

コイル総本数（ｎ₁＋ｎ₂）を１４本に限定されるものではなく、１２本，１３本，１５本，１６本，１７本，１８本でもよい。

実施例２として、第１コイル巻数ｎ₁が１０本で第２コイル巻数ｎ₂が４本、電機子鉄心のスロット内半径Ｒ₁を１２mm、スロット外半径Ｒ₂を１８.５mm、ティース幅の半分を１.７mm、ティースのなす角の半分θを１５度、巻線コイルの線径Ｒ_cを０.７mm、スロット開口部側のティースコーナー部Ｒ_tをＲ＝１.１mmの場合を実施例１同様に試作した。つまり、実施例１との相違点は、スロット開口部側のティースコーナー部Ｒ_tが巻線コイルの線径をＲ_cより大きいことのみである。比較例２として第１コイル巻数ｎ₁が４本で第２コイル巻数ｎ₂が１０本とした以外は実施例２と同一条件とし、各１０ヶずつ試作した。実施例２は実施例１同様、回転アンバランス量の小さい電機子となったが、比較例２は巻線工程の最終コイルがスロット内に納まらず、電機子として成立しなかった。実施例２ならび比較例２の電機子を分解し、巻線できない理由を調査したところ、図１５に示す違いがあった。実施例２のスロット５内には、巻数の多い第１コイルＣ₁が巻かれ、その上に本数の少ない第２コイルＣ₂が巻かれている。（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）が小さいということは、コイル占積率も緻密であり、スロット開口部に空間が残存するほど巻装に余裕があることがわかった。一方、比較例２においては、巻数の少ない第１コイルＣ₁が巻かれ、その上に本数の多い第２コイルＣ₂が巻かれている。（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）が大きいことからもわかるように、特に第２コイルＣ₂の巻装乱れは大きく、コイル占積率が実施例２に小さいことがわかった。よって第２コイルＣ₂の巻線部Ｓ₂が大きくなる。さらにスロット開口部側のティースコーナー部Ｒ_tが比較例１と比べて大きいため、コイルはスロット５内に納まらなかったと考えられる。

以上実施例１および実施例２により、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）を管理することで、巻線占積率を向上し、小巻線面積部に巻装可能で、かつ巻線アンバランスを低減することが可能となる。よって、電機子コア切削量を低減でき、回転バランスと磁気バランスの両立が可能となり、高効率，低振動，低騒音，長寿命の電機子が提供できる。

１ ガイド
２ コイル
３ 電機子鉄心
４ ティース
５ スロット
６ 電機子
７ 整流子
７Ａ 整流子片
８ シャフト
９ 電機子巻線
１０ 電動送風機
１１ 電動機部
１２ 送風機部
１３ シャフトゼツ
１４ 固定界磁体
１５ 界磁鉄心
１６ 界磁コイル
１７ ハウジング
１８ エンドブラケット
１９ 軸受け
２０ カーボンブラシ
２１ カーボンブラシホルダー
２２ バネ
２３ 回転アンバランス修正のための切削加工部
Ｃ１Ａ〜Ｃ１Ｌ 先に整流が終了する回転方向前位のコイル
Ｃ２Ａ〜Ｃ２Ｌ 後に整流が終了する回転方向後位のコイル
Ａ〜Ｌ 各スロット

Claims (14)

1. 回転自在に設けられたシャフトと、前記シャフトに固定され軸方向に全周にわたって複数個のスロットが形成された電機子鉄心と、前記電機子鉄心の同一スロット内にそれぞれ複数回巻回された第１および第２コイルからなる電機子巻線と、前記シャフトに固定されているとともに前記巻線部の両端部が電気的に接続され前記スロット数の２倍の整流子片を有する整流子を備えた電機子において、
   前記第１コイルは先に整流が終了する回転方向前位のコイルとなるよう巻数をｎ₁巻装し、前記第２コイルは後に整流が終了する回転方向後位のコイルとなるよう巻数をｎ₂巻装し、
   電機子鉄心のスロット内半径をＲ₁、電機子鉄心のスロット外半径をＲ₂、ティース幅の半分をＷ、ティースのなす角の半分をθ、巻線コイルの線径をＲ_c、各巻装工程のコイル乱れを第１コイルの巻装係数ｋ₁、第２コイルの巻装係数をｋ₂と定義した場合、次式（１）（２）で定義した第１コイル群の重心位置をＧ₁、第２コイル群の重心位置をＧ₂に対して、（Ｇ₁×ｎ₁）＋（Ｇ₂×ｎ₂）のばらついたときの最大値≦２２８を満たすように、第１コイルの巻数ｎ₁と第２コイルの巻数ｎ₂を決定し、
   ただし、巻装係数ｋ₁，ｋ₂は、２ｋ₁≦ｋ₂、かつ０≦ｋ₁≦Ｒ_c，０≦ｋ₂≦Ｒ_cを満たすことを特徴とする電機子。
   

   

   
2. 請求項１記載の電機子において、
   スロット開口部側のティースコーナー部Ｒ_tが前記コイル径Ｒ_cよりも大きいことを特徴とする電機子。
3. 請求項１または請求項２に記載の電機子において、
   回転数が３００００回転／分以上であることを特徴とする電機子。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載の電機子において、
   コイルの線径が０.５〜１.０mmφであることを特徴とする電機子。
5. 請求項１から請求項４の何れかに記載の電機子において、
   第１コイルの径ｄ ₁ と第２コイルの径ｄ ₂ とした場合、ｄ ₁ ＝ｄ ₂ であることを特徴とする電機子。
6. 請求項１から請求項４の何れかに記載の電機子において、
   第１コイルの径ｄ₁と第２コイルの径ｄ₂とした場合、ｄ₁ ＞ｄ₂であることを特徴とする電機子。
7. 請求項１から請求項６の何れかに記載の電機子において、
   ワニス処理を行い、電機子鉄心とコイルを一体化していることを特徴とする電機子。
8. 請求項１から請求項７の何れかに記載の電機子において、
   コイルエンドにワニスとは異なる樹脂を塗布し、風損を低減していることを特徴とする電機子。
9. 請求項１から請求項８の何れかに記載の電機子において、
   コイルエンドにワニスとは異なる樹脂を塗布し、飛散物体からコイルエンドを保護していることを特徴とする電機子。
10. 請求項１から請求項９の何れかに記載の電機子を内包することを特徴とする整流子電動機。
11. 請求項１０に記載の整流子電動機を内包することを特徴とする電動送風機。
12. 請求項１１に記載の電動送風機を内包することを特徴とする電気掃除機。
13. 回転自在に設けられたシャフトと、前記シャフトに固定され軸方向に全周にわたって複数個のスロットが形成された電機子鉄心と、前記電機子鉄心の同一スロット内にそれぞれ複数回巻回された第１および第２コイルからなる電機子巻線と、前記シャフトに固定されているとともに前記巻線部の両端部が電気的に接続された整流子片を有する整流子を備えた電機子において、
    前記第１コイルは先に整流が終了する回転方向前位のコイルとなるよう巻数をｎ ₁ 巻装し、前記第２コイルは後に整流が終了する回転方向後位のコイルとなるよう巻数をｎ ₂ 巻装し、
    電機子鉄心のスロット内半径をＲ ₁ 、電機子鉄心のスロット外半径をＲ ₂ 、ティース幅の半分をＷ、ティースのなす角の半分をθ、巻線コイルの線径をＲ _c 、各巻装工程のコイル乱れを第１コイルの巻装係数ｋ ₁ 、第２コイルの巻装係数をｋ ₂ と定義した場合、次式（１）（２）で定義した第１コイル群の重心位置をＧ ₁ 、第２コイル群の重心位置をＧ ₂ に対して、（Ｇ ₁ ×ｎ ₁ ）＋（Ｇ ₂ ×ｎ ₂ ）のばらついたときの最大値が所定の値以下になるように、第１コイルの巻数ｎ ₁ と第２コイルの巻数ｎ ₂ を決定し、
    ただし、巻装係数ｋ ₁ ，ｋ ₂ は、ｋ ₁ ＜ｋ ₂ 、かつ０＜ｋ ₁ ≦Ｒ _c ，０＜ｋ ₂ ≦Ｒ _c を満たすことを特徴とする電機子。
    

    

    
14. 請求項１３に記載の電機子において、
    １.８≦（第１コイルの巻数ｎ ₁ ）／（第２コイルの巻数ｎ ₂ ）≦３.７を満たす電機子。

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