JP5814893B2 - 交流整流子電動機 - Google Patents

Description

本発明は、交流整流子電動機に関し、特に電気掃除機、電動工具用電動機等に使用される交流整流子電動機の固定子構造に関するものである。

電気掃除機及び電動工具用の交流整流子電動機は、主に、環状の固定子と、この固定子の内側に対向して形成される磁極部間に配置される電機子で構成されている。この種の交流整流子電動機では、常に小形、軽量、高効率化、ブラシの長寿命化が要求されている。その中でも、高磁束密度で使用される電動機では、とりわけ高効率化、ブラシの長寿命化を達成するには、電機子反作用を低減することが望まれている。

電機子反作用は、回転する電機子が発生させる磁界が固定子の磁極部から発生する磁界に対して影響を与える現象であり、これが交流整流子電動機の高効率化、ブラシの長寿命化に対して悪影響を及ぼしている。

この電機子反作用を低減するための技術として、固定子鉄心の磁極部中心に単一のスリットを設ける構造が提案されている（特許文献１）。また、別の低減手法として、前記磁極部を非対称の磁極にすると共に、複数のスリットを設ける構造が提案されている（特許文献２）。

一方、スリットを設ける別の理由として、固定子の軽量化を図るために電機子反作用の影響を利用し、電機子の回転進行方向側に複数の貫通穴を設ける構造が提案されている（特許文献３）。

また、直流電動機では同じく電機子反作用を抑制する方式として、ヨーク部と磁極部一体に分割する方法（特許文献４、５、６）や、磁極部にスリットを形成する方法が提案されている（特許文献７、８）。

特開２００５−２０９３１公報 特開平６−６９４３号公報 特開２００３−１５３４７１公報 特開昭４８−５３２０３公報 特開昭４９−８１８０６公報 実開昭６２−７４４６１公報 特開平７−１２３６６９公報 特開昭５９−１１７５９公報

交流整流子電動機のトルクは固定子からの界磁磁束と電機子からの電機子磁束の和に電機子コイルに流れる電流と電機子コイルの巻数を乗じたものに比例した値と評価されている。電機子反作用の影響で界磁磁束と電機子磁束の和の値が変化するため、この値がトルクを左右させる。特許文献１では単一のスリットを磁極部の中心に配置して電機子反作用を低減させ、特許文献２では磁極部に複数のスリットを設けて電機子反作用を低減させている。特許文献３から特許文献８に関しても上記と同様のことが言える。

上述した従来技術では、電機子反作用を低減できるものの、スリットを設けたことによって磁極部の磁気飽和が厳しくなり、必要トルクを得るために電流が大きくなり、結果として電機子反作用を抑制しても整流改善には至らない。

本発明の目的は、電機子反作用を十分に低減しつつ、トルクと整流性能の向上を実現することができる交流整流子電動機を提供することにある。

上記課題は、略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部と、該磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシと、を有した交流整流子電動機であって、各磁極部には、内周側が狭く外周側が広い一対のスリットを設け、前記一対のスリットの間に形成される鉄心部は、内周側が狭く外周側が広い鉄心部か、内周側が広く外周側が狭い鉄心部か、内周側と外周側の幅が等しい鉄心部か、の何れかであり、前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動している交流整流子電動機によって解決することができる。

本発明によれば、電機子反作用を低減して必要磁束量が増加できるため、トルクと整流性能の向上を実現できる交流整流子電動機を提供することができる。

実施例１の電気掃除機用電動送風機の構造を示す断面図。 実施例１の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の断面図。 実施例１の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例２の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例３の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例４の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例５の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。 実施例６の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子の１／２断面図。 比較例の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。 比較例の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。 実施例１の磁極部形状における電機子反作用磁束の磁束流れ図。

本発明の実施例を、図１〜図９を用いて説明する。なお、ここでは電気掃除機に用いられる電動送風機の実施例として述べる。

図１は、実施例１の電気掃除機用の電動送風機１００の構造断面図である。電動送風機１００は、電動機（交流整流子電動機）１０１と送風機１０２から構成される。

電動機１０１は、ハウジング３の内周側に固定された固定子１、ハウジング３の軸受５ａとエンドブラケット４の軸受５ｂに回転自在に保持されるシャフト６、シャフト６に固定された電機子鉄心２１と整流子２５、電機子鉄心２１の電機子スロットＳ中に巻装された電機子コイル２２が整流子２５に接続された電機子２、および、整流子２５と機械的接触によって電気的接続を行うカーボンブラシ７と、カーボンブラシ７を保持するとともにハウジング３に固定するためのブラシホルダ８とからなる。

また、整流子２５は、複数の整流子片２５ａを有し、各整流子片２５ａは電機子２内の電機子コイル２２と接続されている。カーボンブラシ７は、つる巻バネ８１により整流子２５に押し付けられ、整流子２５に摺接している。８２はカーボンブラシ７を外部電極に接続するためのリード線であり、ブラシホルダ８に設けられた端子（図示せず）と接続されている。

一方、送風機１０２は、ナット３０によりシャフト６の一端に固定される遠心ファン３１、遠心ファン３１から出た空気流の速度を落とし圧力回復するディフューザ３２、ディフューザ３２と一体に成形された空気流を電動機１０１内へ導くリターンガイド３３、遠心ファン３１とディフューザ３２を覆うファンケーシング３４によって構成される。

電動送風機１００を運転すると電機子２が回転し、電機子２と同軸に固定された遠心ファン３１も回転する。遠心ファン３１が回転するとファンケーシング３４の空気吸込口３５から空気が流入し、遠心ファン３１、ディフューザ３２、リターンガイド３３を通り電動機１０１内部へと流れ込む。流れ込んだ空気は、電動機１０１を冷却しつつ排出される。

図２は、固定子１と電機子２の構造断面図を示す。固定子１は、略円環状のヨーク部１１とその内周側に対向するように形成される一対の磁極部１２とからなる固定子鉄心１３を積層したものと、磁極部１２に巻装される界磁コイル１４とから構成される。また、対向する一対の磁極部１２の間に配置される電機子２は、複数のＴ字型のティース２３を有する電機子鉄心２１と、ティース２３によって形成されている電機子スロットＳ１〜Ｓ１２に巻装される電機子コイル２２とから構成される。なお、本実施例では、ティース２３の本数を１２本とした例を説明するが、ティース２３の本数はこれに限られるものではない。

また、図２に示すように、各磁極部１２の中央近傍部に、スリット１５を形成する。スリット１５の周方向幅は内周側で狭く外周側で広くする。また、スリット１５の内周方向と外周方向にそれぞれ薄肉の磁極部１２を残し、以下では内周方向の薄肉の磁極部１２を磁気ブリッジ１６ａ、外周方向の薄肉の磁極部１２を磁気ブリッジ１６ｂと称する。形成した磁気ブリッジ１６の厚さは、ハウジング３に固定子１を圧入した時に、磁気ブリッジ１６が変形しない厚みにする。ここでは一例として磁気ブリッジ１６の厚みを０．５ｍｍとしている。このように、磁気ブリッジ１６の厚さを薄く設定することで、磁路幅が狭くなり磁気飽和し易くなるため、電機子反作用磁束を遮断することができる。

図３は図２の要部断面図である。スリット１５の外周側の角度は大きい方が良いが、各ティースのピッチが３０°であるときには、磁気的に許せる範囲として、スリット１５の外周側の角度は、回転中心から成す角度２６°に設定し、内周側の角度は、回転中心から成す角度１１°にしている。内周側は磁気抵抗の変化が著しく影響するので注意を要する。その理由を以下に述べる。なお、ここでは、１ティースのピッチ３０°、スリット１５の外周側の角度２６°、内周側の角度を１１°とする例を示したが、スリット１５の外周側の角度が１ティース分の角度よりも小さく、スリット１５の内周側の角度が外周側の角度よりも小さければ、同様の効果を得ることができる。

図９に電機子コイル２２にのみ電流を流した時の磁束流れを示す。図９Ａはスリット１５が無く、カーボンブラシ７を幾何学的中性軸に置いた比較例の場合であり、電機子反作用磁束は磁極部１２のみを通ることが知られている。しかし、この位置ではカーボンブラシ７から火花が発生することがあり、ブラシ寿命が短くなる場合がある。この場合、図９Ｂに示すように、ブラシ位置を反回転方向に移動し（例えば３０°）、主磁束を利用してブラシ火花発生を抑制する（整流子２５と電機子コイル２２の接続位置でも良い）。この場合、カーボンブラシ７を反回転方向に移動しているので、電機子反作用磁束が磁極部１２の周囲にとどまらず、ヨーク部１１を通り、界磁コイル１４による主磁束と反対方向に磁束が流れる。

次に、本実施例の構成を用いた場合について説明する。図９Ｃはカーボンブラシ７を反回転方向に移動させるとともにスリット１５を設けたときの電機子反作用による磁束流れを示す。ここに示すように、本実施例の構成の場合も磁気ブリッジ１６を通して電機子反作用磁束が流れるが、薄肉の磁気ブリッジ１６では磁気飽和により電機子反作用磁束が抑制されるため、ヨーク部１１を通る電機子反作用磁束が減少する。このヨーク部１１を通る磁束は電機子鉄心２１のティース２３の幅とスリット１５の幅で大きく影響され、特に磁束の変化が大きくなるので、強いてはトルク脈動の大きさを左右するので、スリット１５の内周側角度を１１°近傍（１ティース分角度３０°の約３０％）に設定した。

上記スリット形状を配置することで、図９Ｃに示すように、磁極部１２を横断する磁界を低減することができ、電機子反作用の低減が達成できる。また、スリット１５の周方向幅を固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くすることで磁束の出入りが活発な磁極部１２の内周面側での磁気飽和の軽減が図れるため、電動機のトルクを生み出すための必要磁束量を増加することができる。これらにより、トルクと整流性能の向上を図ることができる。

図４は、実施例２を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図４に示すように、実施例２では、固定子１の磁極部１２の中央近傍部に、径方向に伸びる対称的な２つのスリット１５ａを形成する。また、スリット１５ａの周方向幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。さらに、スリット１５ａ間に形成される鉄心部１７の幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。これにより実施例１と同様の効果を得ながら、製造する際の外力に対する機械的強度を向上させることができる。

図５は、実施例３を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図５に示すように、実施例３では、固定子１の磁極部１２の中央近傍部に、径方向に伸びる対称的な２つのスリット１５ｂを形成する。また、スリット１５ｂの周方向幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。さらに、スリット１５ｂ間に形成される鉄心部１７の幅は固定子鉄心１３の外周側より内周側を広くする。これにより実施例２と同様の効果が得られる。

図６は、実施例４を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図６に示すように、実施例４では、固定子１の磁極部１２の中央部近傍に、径方向に伸びる単一のスリット１５を形成する。また、スリット１５の周方向幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。さらに、固定子鉄心１３の外周部から電機子２に向かって凹部１８を設け、すなわち、磁極部１２の外周側に凹部１８を設け、スリット１５の周方向両端の最大高さｈ１を凹部１８の最小高さｈ２より大きくする。このとき形成される磁気ブリッジ１６は一定の厚さとなる様にする。これによって、実施例１〜実施例３よりも電機子反作用を低減でき、トルクと整流性能の向上を図ることができる。

図７は、実施例５を示したものである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図７に示すように、実施例５では、固定子１の磁極部１２の中央部近傍に、径方向に伸びる対称的な２つのスリット１５ｃを形成すると共に、スリット１５ｃの周方向幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。また、固定子鉄心１３の外周部から電機子２に向かって凹部１８を設け、スリット１５ｃ周方向両端の最大高さｈ１を凹部１８の最小高さｈ２より大きくする。これによって、実施例４と同様の効果が得られながら、機械的強度の確保を図ることができる。

図８は、実施例６を示したものであるである。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

図８に示すように、実施例６では、固定子１の磁極部１２の中央部近傍に、径方向に伸びる対称的な２つのスリット１５ｄを形成すると共に、スリット１５ｄの周方向幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。また、固定子鉄心１３の外周部から電機子２に向かって凹部１８を設け、スリット１５ｄの周方向両端の最大高さｈ１を凹部１８の最小高さｈ２より大きくする。さらに、スリット１５ｄ間に形成される鉄心部１７の幅は固定子鉄心１３の内周側より外周側を広くする。これにより、実施例５よりも更に機械的強度の確保を図ることができる。

１ 固定子
２ 電機子
７ カーボンブラシ
１１ ヨーク部
１２ 磁極部
１３ 固定子鉄心
１４ 界磁コイル
１５、１５ａ〜１５ｄ スリット
１６、１６ａ、１６ｂ 磁気ブリッジ
１７ 鉄心部
１８ 凹部
２１ 電機子鉄心
２２ 電機子コイル
２３ ティース
２５ 整流子
２５ａ 整流子片
Ｓ１〜Ｓ１２ 電機子スロット

Claims (3)

1. 略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部と、該磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、
   前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、
   前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシと、
   を有した交流整流子電動機であって、
   各磁極部には、内周側が狭く外周側が広い一対のスリットを設け、
   前記一対のスリットの間に形成される鉄心部は、内周側が狭く外周側が広い鉄心部か、内周側が広く外周側が狭い鉄心部か、内周側と外周側の幅が等しい鉄心部か、の何れかであり、
   前記シャフトの軸方向から見たとき、前記一対のブラシは、前記一対の磁極部に対し、反回転方向に移動していることを特徴とする交流整流子電動機。
2. 請求項１に記載の交流整流子電動機において、
   前記ヨーク部は、前記磁極部の外周側に凹部を有しており、該凹部の最内周位置は前記スリットの最外周位置よりも内周側であることを特徴とする交流整流子電動機。
3. 請求項１に記載の交流整流子電動機において、
   前記ヨーク部は、スリット１５の内周方向と外周方向にそれぞれ薄肉の磁気ブリッジを有していることを特徴とする交流整流子電動機。