JP5352360B2 - 電動送風機およびこれを備えた電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、電動送風機およびこれを備えた電気掃除機に関し、特に、風損低減を図った電動送風機およびこれを備えた電気掃除機に関するものである。

一般的な電気掃除機において、吸込具を通じて空気とともに吸引された塵埃は、継手管やホースを通じて掃除機本体に設けられた吸込口から掃除機本体内に吸い込まれる。そして、掃除機本体内に吸い込まれた塵埃は、掃除機本体内に取り付けられた集塵手段としての紙パックや、サイクロン方式の集塵ケース内に空気とともに吸い込まれて捕集される。

紙パックや集塵ケースを通過して塵埃を取り除かれた空気は、さらにフィルターを通過して細かな塵埃が取り除かれ、その後、電動送風機が配置される電動送風機室に流入する。電動送風機は、電動送風機室に防振ゴム等を介して保持されており、空気の流入する流入口と、空気の流出する流出口とを備える。電動送風機室に流入した空気は、流入口から電動送風機内に流入して昇圧された後、流出口から電動送風機の外部に排気される。

ところで、電気掃除機に求められる性能の一つとして吸引力がある。吸引力は、電動送風機の出力に強く依存するものであるが、家庭用の電気掃除機では、電動送風機に供給できる電力に限度があることから、電動送風機の効率向上が吸引力を向上させる鍵となっている。このため、吸引力向上を図るために、電動送風機の損失を低減させたいという要望があった。

ここで、電動送風機に内蔵される電動機に着目すると、その損失は、銅損、鉄損、ブラシ電気損、ブラシ摩擦損、軸受損および風損に大別される。
このうち、風損は、電機子への気流の衝突による摩擦、電気子表面に発生する２次流れによる乱流などによって発生し、電機子周速のおよそ３乗に比例して増加することが知られている。
例えば、電気掃除機用の電動機は、４５，０００回転／分程度の高速回転で駆動されることが多く、４５，０００回転／分において、風損は、電動機の全損失のうち約１０％を占める割合となっている。

これに対して、一般的な数千回転／分仕様の電動機では、風損の占める割合が、せいぜい２〜３％である。したがって、電気掃除機用の高速回転で駆動される電動機においては、風損が比類ない高い割合を占めていると言える。
つまり、風損を低減することができれば、電動機の飛躍的な高効率化に繋がることとなり、風損の低減によって電気掃除機の吸引力の向上を図ることが期待できる。

電動機における風損を低減させる技術としては、特許文献１に開示されたものが知られている。
この特許文献１に開示された技術では、電機子巻線を覆うようにカバーを設けることで風損の低減を図っている。

特開２００１−８４２５号公報

しかしながら、前記した特許文献１では、カバーが電機子と一体に設けられており、電機子が回転するとカバーも一体に回転する構造となっている。このため、電機子の回転時にカバーに対して大きな遠心力が作用することとなり、カバーには、比較的大きな強度が要求される。したがって、カバーが肉厚になって大型化するといった問題があった。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、軽量、小型化を図りつつ風損を低減することができる電動送風機およびこれを用いた電気掃除機を提供することを目的とする。

本発明は、電機子巻線を有する電機子と、界磁巻線を有する固定子と、前記電機子の一端を回転自在に支持するエンドブラケットと、前記電機子の他端を回転自在に支持するハウジングと、前記電機子における前記エンドブラケット側に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に配置された複数の静翼と、を有する電動送風機において、、前記電機子巻線を覆うカバー体を備え、前記カバー体は、前記エンドブラケットにインサート成形されて前記エンドブラケットと一体に設けられ、前記電機子巻線の外周に沿って径方向に膨出しつつ後方へ延設された円環部を有しており、前記円環部の後端部は、前記電機子の前端部よりも軸方向前方に位置し、前記円環部の前記後端部と前記電機子の前記前端部との間には、前記電機子巻線の後端部分が露出することを特徴とする。
また、本発明は、電機子巻線を有する電機子と、界磁巻線を有する固定子と、前記電機子の一端を回転自在に支持するエンドブラケットと、前記電機子の他端を回転自在に支持するハウジングと、前記電機子における前記エンドブラケット側に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に配置された複数の静翼と、を有する電動送風機において、前記電機子巻線を覆うカバー体を備え、前記カバー体と前記エンドブラケットとは、樹脂によって一体成形されており、前記カバー体は、前記電機子巻線の外周に沿って径方向に膨出しつつ後方へ延設された円環部を有しており、前記円環部の後端部は、前記電機子の前端部よりも軸方向前方に位置し、前記円環部の前記後端部と前記電機子の前記前端部との間には、前記電機子巻線の後端部分が露出することを特徴とする。

本発明によれば、電機子巻線を覆うカバー体をエンドブラケットと一体に設けたので、カバー体を電機子とは別体に構成して回転不能に配置することができる。したがって、カバー体に遠心力が作用することがなくなり、カバー体の強度を従来のように高める必要がなくなる。これによって、カバー体による風損低減を図りつつカバー体の薄肉化や小型化を図ることが可能となる。

また、本発明は、塵埃を捕集する捕集部材が配置される集塵室と、前記集塵室の下流側に配置され、捕集部材に塵埃を吸い込むための気流を発生させる電動送風機と、を有する電気掃除機において、前記電動送風機を使用するものである。

本発明によれば、軽量、小型化を図りつつ風損を低減することができる電動送風機およびこれを用いた電気掃除機が得られる。

本実施形態の電気掃除機の外観を示す外観斜視図である。 本実施形態の電気掃除機の掃除機本体を模式的に示した断面図である。 本実施形態の電動送風機の断面図である。 電動送風機の要部の拡大断面図である。 （ａ）はエンドブラケットを前面側から見た斜視図、（ｂ）はエンドブラケットを後面側から見た斜視図である。 エンドブラケットおよびカバー体の断面図である。 カバー体と電機子巻線との隙間と、電動送風機効率の差分と、の関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、電動送風機において、「前、後」を言うときは、図３に示す方向を基準としている。
図１に示すように、電気掃除機１は、掃除機本体２と、ホース３と、手元操作ＳＷ等が設けられた操作管４と、継手管としての延長管５と、第１、第２の吸込具６、７とを備えて構成されている。
掃除機本体２の内部には、図２に示すように、吸引力を発生させる電動送風機１０や、集塵室２ｃに配置され、電動送風機１０の吸引力で吸い込まれた塵埃を捕集する紙パック８（捕集部材）、さらには、紙パック８で塵埃を取り除かれた空気が通過するフィルター９等が配置されている。

電動送風機１０は、掃除機本体２の電動送風機室２ａに防振ゴム２ｂを介して収容されており、図３に示すように、電動機２０と、送風機３０とを備える。

〔電動機〕
電動機２０は、ハウジング２１およびエンドブラケット２２からなる外ケース２３と、この外ケース２３に軸受２１ａ、２２ａを介して回転可能に支持された回転軸２４と、この回転軸２４に固定された電機子２５と、この電機子２５の周りに配置された固定子２６とを主として備えている。電機子２５の前後には、電機子巻線２５ａ、２５ｂが巻装されている。
そして、電動機２０は、ブラシ２７とこれに接触するように回転軸２４に設けられたコンミテータ２８との整流作用によって電力の供給を受け、連続的なトルクを発生して回転するようになっている。

また、固定子２６は、外周が角形の固定子鉄心に固定子巻線を巻装して構成され、ハウジング２１内に嵌着されている。固定子２６を嵌着したハウジング２１内には、その内周壁と固定子２６との間に、軸方向の通風路Ｒ１が形成されている。
さらに、固定子２６と電機子２５との間にも、軸方向の通風路Ｒ２が形成されている。この通風路Ｒ２には、後記するカバー体４０によってハウジング２１の後方（流れ方向下流側）へ導かれた空気の一部が通流するようになっている。
なお、回転軸２４の先端には、送風機３０を構成している羽根車３１が固定されている。

ハウジング２１は、カップ状を呈しており、その開口縁に、径方向外側に向けて延びるフランジ部２１ｂを有している。ハウジング２１の開口には、これを横切るようにエンドブラケット２２が掛け渡されて配置され、フランジ部２１ｂに対してねじ止め等により固定されている。

エンドブラケット２２は、剛性を有する金属等の材料からなり、その後面中央部には、軸受２２ａを収容する凹部２２ｂが形成されている。エンドブラケット２２は、この凹部２２ｂに収容した軸受２２ａを介して回転軸２４の前端側を支持している。本実施形態では、エンドブラケット２２の凹部２２ｂの周縁部２２ｃに、カバー体４０が一体に設けられている。カバー体４０の詳細は後記する。

〔送風機〕
送風機３０は、図３に示すように、電動機２０の回転軸２４に直結された羽根車３１と、この羽根車３１の外周側に固定設置されるディフューザ３２（静翼）と、このディフューザ３２に対して仕切板３３を挟んで対面に配置されるリターンガイド３４と、を備え、これらがファンケーシング３５内に収められた構成となっている。

羽根車３１は、遠心力を利用する遠心型羽根車であり、高速回転になると羽根車３１内で圧力上昇が大きくなり、吸込部３０ａから空気を吸い込む。吸い込まれた空気は、羽根車３１を通じて外周側に高速の空気流となって吐出される。

ディフューザ３２は、羽根車３１の外周側を囲い、羽根車３１から外周方向に吐出された空気流を外周方向に導くディフューザ流路３２ａを形成している。
リターンガイド３４は、ディフューザ流路３２ａを流れて来た空気流を電動機２０に導くリターン流路３４ｂを形成している。

〔カバー体〕
カバー体４０は、電機子巻線２５ａを覆う部材であり、エンドブラケット２２と一体に設けられた固定構造体である。カバー体４０は、絶縁性および耐熱性を有する材料、例えばＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等からなり、図５（ａ）（ｂ）、図６に示すように、径方向に膨出する薄肉の湾曲円環状を呈している。

カバー体４０は、図４に示すように、電機子巻線２５ａの外周に沿って径方向に膨出しつつ後方へ延設された円環部４１を有しており、電機子巻線２５ａの略全体を覆うようになっている。
円環部４１は、電機子巻線２５ａとの間に所定の隙間Ｓを隔てて配置されており、回転軸２４と一体に回転する電機子巻線２５ａとの接触を回避しつつ、これを覆っている。

これによって、図３に示すように、ディフューザ３２のリターンガイド３４を通じて電機子巻線２５ａの周囲に流入してきた空気Ａは、カバー体４０の円環部４１の外周面に沿うようにして、電機子巻線２５ａに直接的に当たることなくハウジング２１の後方へ導かれるようになっている。

カバー体４０の基端部には、図５（ｂ）、図６に示すように、エンドブラケット２２の長手方向に延びる角形のフランジ部４２が形成されている。フランジ部４２は、カバー体４０の基端部を補強するとともに、エンドブラケット２２の周縁部２２ｃに当接する面の面積を増やす役割をなす。これによって、カバー体４０の固定強度の向上が図られている。

図６に示すように、フランジ部４２の取付面４２ａには、位置決め用の突起４３が設けられている。この突起４３は、エンドブラケット２２の周縁部２２ｃに形成された挿通孔２２ｄに挿通可能であり、挿通孔２２ｄに挿通された状態で、図４に示すように、後記するディフューザ３２の後面に形成されたリターンガイド３４の凹溝３４ａ内に突出して配置されるようになっている。つまり、突起４３がリターンガイド３４に干渉せず、ディフューザ３２の取り付けの邪魔とならないようにされている。

このようなカバー体４０は、フランジ部４２の突起４３をエンドブラケット２２の挿通孔２２ｄに挿通してエンドブラケット２２に位置決めされ、フランジ部４２の取付面４２ａに塗布された接着剤でエンドブラケット２２の周縁部２２ｃに固着されるようになっている。

なお、エンドブラケット２２に対するカバー体４０の固着は、図示しないねじ部材を用いた締め付け等によって行ってもよいし、また、前記した突起４３をエンドブラケット２２の挿通孔２２ｄに挿通させた後に、熱溶着等によってこれを溶着させることで行ってもよい。

また、カバー体４０は、射出成形によってエンドブラケット２２と一体に成形することも可能である。
この場合には、射出成形時に、エンドブラケット２２の挿通孔２２ｄを通じて、エンドブラケット２２の後面側から前面側に樹脂材が流れ込むように構成して、エンドブラケット２２の前面側に流れ込んだ樹脂材でエンドブラケット２２の前面側にカバー体４０の脱落を防止するための係止部がカバー体４０に一体的に形成されるように構成するとよい。

このようにエンドブラケット２２に固着されたカバー体４０は、図４に示すように、エンドブラケット２２に保持された軸受２２ａを介して回転軸２４が支持されると、前記したように電機子巻線２５ａとの間に円環部４１が所定の隙間Ｓを有して配置されるようになっている。
なお、電機子巻線２５ａは、電機子２５に対して巻き付けられた後に、整形材等によって外部から押圧成形されるようになっており、外形状が所望の形状に整えられるようになっている。これによって、電機子巻線２５ａの外面と、電機子巻線２５ａを覆うように配置されるカバー体４０の円環部４１の内面との間には、所定の隙間Ｓが形成されるようになっている。

ここで、カバー体４０の円環部４１の後端部４１ａは、電機子２５の前端部２５ｃよりも軸方向前方に位置している。これによって、カバー体４０の後端部４１ａと電機子２５の前端部２５ｃとの間には、電機子巻線２５ａの後端部分２５ａ’が露出するようになっている。このように露出した電機子巻線２５ａの後端部分２５ａ’によって、この部分には、電機子巻線２５ａの回転に伴って気流が発生するようになっている。
なお、発生した気流は、ハウジング２１内を流れる空気を後方へ向けて円滑に導くように作用し、風損の低減に好適に寄与する。
つまり、電機子巻線２５ａの全体をカバー体４０の円環部４１で覆う構成とした場合に比べて、ハウジング２１内を流れる空気を後方へ向けてより好適に導くことができる。

ここで、図７は、前記した隙間Ｓの寸法（ｍｍ）と電動送風機効率の差分（％）との関係を示したグラフである。電動送風機効率とは、モータの効率とファンの効率とをかけ合わせたものである。この電動送風機効率と電動送風機１０の入力とをかけ合わせたものがファン出力であり、このファン出力から、電気掃除機１の吸込能力を示す一つの値となる、吸込仕事率が求められる。つまり、電動送風機効率が向上すれば、吸込仕事率を向上させることができる。
なお、ここでは、円環部４１の内周面と電機子巻線２５ａとの間隔が最小となる部分（円環部４１の後端部４１ａの近傍部分）を基準として隙間Ｓの寸法としている。
図７では、カバー体４０無しの状態をゼロ（０）としたときの、電動送風機効率の差分（％）を表している。

図７から明らかであるように、本実施形態のカバー体４０を設置した電動送風機１０では、カバー体４０無しのものに比べて、隙間Ｓを１．５ｍｍより大きく３．０ｍｍ以下としたときに、電動送風機効率が向上していることが分かる。

ここで、隙間Ｓは、２．０ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが好ましい。
２．０ｍｍ未満では、空気の粘性に起因する摩擦力が大きくなって、効率が低下するおそれがあるため好ましくない。
また、３．０ｍｍより大きい場合には、電動送風機効率の値が飽和に向かう傾向となり、実質的な電動送風機効率の向上を図れず、また、電機子巻線２５ａ周りのスペースをカバー体４０で広く占有することとなるため、好ましくない。
したがって、隙間Ｓは、２．０ｍｍ〜３．０ｍｍとすることが好ましい。

図７に示すように、隙間Ｓを２．０ｍｍとしたときには、電動送風機効率がおよそ０．３３％向上することとなり、隙間Ｓを２．５ｍｍとしたときには、電動送風機効率がおよそ０．６％向上することとなり、さらに、隙間Ｓを３．０ｍｍとしたときには、電動送風機効率がおよそ０．６６％向上することとなる。
ここで、電動送風機１０の入力、つまり、電気掃除機１の消費電力を１０００Ｗとすると、隙間Ｓが２．０ｍｍのときにはおよそ３．３Ｗの向上が見込め、同様に、隙間Ｓが２．５ｍｍのときにはおよそ６Ｗ、隙間Ｓが３．０ｍｍのときにはおよそ６．６Ｗの向上がそれぞれ見込めることになる。

次に、本実施形態の電動送風機１０における空気の流れについて説明する。電動機２０に通電されると、回転軸２４が回転し、それに伴い羽根車３１が回転する。
図３に示すように、吸込部３０ａから流入した空気は、ひとまず羽根車３１で昇圧され増速される。その後、ディフューザ３２を通過した空気は、曲がり流路３５ａを経て略１８０度転向し、リターンガイド３４に流入する。
そして、リターンガイド３４に流入した空気は、減速されて圧力が上昇した状態となって、エンドブラケット２２の側方を通じて電動機２０のハウジング２１内に流入する。

ハウジング２１内に流入した空気は、ハウジング２１の内周壁と固定子２６との間に形成された通風路Ｒ１や、固定子２６と電機子２５との間に形成された通風路Ｒ２を通じて、ハウジング２１の後方へ導かれる。
ここで、電動機２０の電機子巻線２５ａは、エンドブラケット２２に固定されたカバー体４０で覆われているので、通風路Ｒ２に向かう空気Ａは、カバー体４０の円環部４１の外周面に沿って下流側に流れ、電機子巻線２５ａの表面に直接的に触れることなくハウジング２１の後方へ導かれる。

そして、カバー体４０によって下流側に導かれた空気は、電機子２５、固定子２６、ブラシ２７、およびコンミテータ２８等をそれぞれ冷却して、流出口２９より電動送風機１０の外部に排出される。

以上説明した本実施形態の電動送風機１０によれば、電機子巻線２５ａを覆うカバー体４０をエンドブラケット２２と一体に設けたので、カバー体４０を電機子２５とは別体に構成して回転不能に配置することができる。したがって、カバー体４０に遠心力が作用することを回避することができ、カバー体４０の強度を従来のように高める必要がなくなる。これによって、カバー体４０による風損低減を図りつつカバー体４０の薄肉化や小型化を図ることが可能となる。

また、カバー体４０をエンドブラケット２２にインサート成形することで、カバー体４０をエンドブラケット２２に取り付ける場合に比べて、取付誤差などの影響を受けることがなくなり、円環部４１と電機子巻線２５ａとの隙間Ｓの精度を高めることができる。これによって、効果的に風損低減を図ることができる。

また、カバー体４０の円環部４１の後端部４１ａは、電機子２５の前端部２５ｃよりも軸方向前方に位置しているので、カバー体４０の後端部４１ａと電機子２５の前端部２５ｃとの間に、電機子巻線２５ａの後端部分２５ａ’を露出させることができ、この露出した部分によって、電機子巻線２５ａの回転に伴う気流を発生させることができる。
これによって、電機子巻線２５ａの全体をカバー体４０の円環部４１で覆う構成とした場合に比べて、ハウジング２１内を流れる空気を後方へ向けてより好適に導くことができる。

また、本実施形態の電動送風機１０を使用した電気掃除機１では、吸込仕事率の向上を図ることができる。

前記実施形態では、カバー体４０とエンドブラケット２２とを別部材で構成したが、これに限られることはなく、樹脂材によって一体成形してもよい。
この場合にも、カバー体４０とエンドブラケット２２とを一体成形することによって、カバー体４０を別体とした場合に比べて、取付誤差などの影響を受けることがなくなり、円環部４１と電機子巻線２５ａとの隙間Ｓの精度を高めることができる。これによって、効果的に風損低減を図ることができる。

なお、カバー体４０の形状等は、ハウジング２１内に流入した空気Ａをハウジング２１の後方へ導くものであれば任意に設定することができる。

１ 電気掃除機
２ 掃除機本体
２ｃ 集塵室
８ 紙パック（捕集部材）
１０ 電動送風機
２０ 電動機
２１ ハウジング
２２ エンドブラケット
２５ 電機子
２５ａ 電機子巻線
２６ 固定子
３０ 送風機
３１ 羽根車（遠心羽根車）
３２ ディフューザ（静翼）
４０ カバー体
４１ 円環部
Ｒ１、Ｒ２ 通風路
Ｓ 隙間

Claims (3)

1. 電機子巻線を有する電機子と、界磁巻線を有する固定子と、前記電機子の一端を回転自在に支持するエンドブラケットと、前記電機子の他端を回転自在に支持するハウジングと、前記電機子における前記エンドブラケット側に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に配置された複数の静翼と、を有する電動送風機において、
   前記電機子巻線を覆うカバー体を備え、
   前記カバー体は、前記エンドブラケットにインサート成形されて前記エンドブラケットと一体に設けられ、前記電機子巻線の外周に沿って径方向に膨出しつつ後方へ延設された円環部を有しており、
   前記円環部の後端部は、前記電機子の前端部よりも軸方向前方に位置し、前記円環部の前記後端部と前記電機子の前記前端部との間には、前記電機子巻線の後端部分が露出することを特徴とする電動送風機。
2. 電機子巻線を有する電機子と、界磁巻線を有する固定子と、前記電機子の一端を回転自在に支持するエンドブラケットと、前記電機子の他端を回転自在に支持するハウジングと、前記電機子における前記エンドブラケット側に直結された空気流れ発生用の遠心羽根車と、前記遠心羽根車の外周側に配置された複数の静翼と、を有する電動送風機において、
   前記電機子巻線を覆うカバー体を備え、
   前記カバー体と前記エンドブラケットとは、樹脂によって一体成形されており、
   前記カバー体は、前記電機子巻線の外周に沿って径方向に膨出しつつ後方へ延設された円環部を有しており、
   前記円環部の後端部は、前記電機子の前端部よりも軸方向前方に位置し、前記円環部の前記後端部と前記電機子の前記前端部との間には、前記電機子巻線の後端部分が露出することを特徴とする電動送風機。
3. 塵埃を捕集する捕集部材が配置される集塵室と、前記集塵室の下流側に配置され、前記捕集部材に塵埃を吸い込むための気流を発生させる電動送風機と、を有する電気掃除機において、
   前記電動送風機として、請求項１または請求項２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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