JP5899396B2

JP5899396B2 - 整流子モータ

Info

Publication number: JP5899396B2
Application number: JP2011270943A
Authority: JP
Inventors: 幸弘岡田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: JP2013123324A

Description

本発明は、電動送風機やこれを搭載した電気掃除機などの電気機器に具備されている整流子モータに関する。

従来、この種の整流子モータは、略方形筒状の界磁コアの筒内に向かい合った磁極部を設け、この磁極部にコイルを巻回するとともに、界磁コアの磁極部間に電機子を回転自在に設けた構成としている。また、電気掃除機に用いられるこの種の整流子モータでは、外径が７５ｍｍ〜１００ｍｍのものが主流となっている。

このような整流子モータにおいて、モータ内を流れる磁束量を確保して効率を向上させるために、界磁コアの直交する各辺部の幅を変更するような技術が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の整流子モータの界磁コアの構成を示す平面図である。図６に示すように、界磁コア９７は、直交する２対の辺部９７ａ、９７ｂと、向かい合うように設けられた磁極部９７ｃとで構成されている。そして、磁極部９７ｃの設けられた一対の辺部９７ｂの幅をＤｂ、他方の一対の辺部の幅をＤａとした場合、ＤａとＤｂの関係を、Ｄａ＜Ｄｂとしている。

特開２０００−３２６８８号公報特開平１０−２２５０２６号公報

この種の整流子モータは、その構成上、通電時の界磁コイルおよび電機子コイルから発生した磁束が合成される。このため、界磁コアにおける磁束密度の分布に偏りが生じ、一部領域で磁束が集中して磁気飽和が生じやすかった。そして、この磁気飽和が生じると磁気特性が劣化し、モータの効率低下などを引き起こすという課題を有していた。

図７は、上述した従来の整流子モータと同等の界磁コアにおいて、磁束密度の分布を示す磁束密度分布図である。すなわち、通電時の磁気飽和の発生しやすい箇所を探るために、構造解析等に利用されるＣＡＥを用いて１周期あたりの各部の磁束密度を算出し、図７に示すような磁束密度分布を求めた。図７において、濃度が濃いほど磁束密度が高いことを示している。この結果、図７での矢印で示すように、磁極部の突出した一方の先端近傍領域で磁束密度が最も高くなっている。この結果より、磁気飽和の発生しやすい箇所は各辺部ではなく、磁極部であることがわかる。すなわち、磁極部において磁気飽和が発生することでその領域の磁気特性が劣化し、有効な磁束が減少することになる。

さらに、この結果より、磁気飽和を抑制するためには、上述した従来の構成のように、磁束の流れる経路の一部分である各辺部の幅を変更するだけでは不十分である。すなわち、従来のように辺部の幅のみの工夫では、電機子コア内や磁極部に磁気飽和が生じた場合、改善は期待できず、磁気特性の劣化による効率低下を十分に抑制できないおそれがあった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、磁気特性の劣化を防止して効率の向上を図った整流子モータおよびこれを備えた電気機器を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の整流子モータは、界磁巻線を巻回した方形筒状の界磁コアを含む界磁と、電機子巻線を電機子コアのスロットを介して巻回し、界磁コアの筒内に回転自在に設けられた電機子とを具備する整流子モータであって、界磁コアは、方形状を成す枠部と、枠部の互いに対向した一対の辺部から筒内側に突出した一対の磁極部とを備える。そして、磁極部の根元の幅を、電機子コアのスロット底部の直径の少なくとも１．１倍とした構成である。

これによって、磁束の流れる経路全体における磁気飽和を抑制することができる。

また、本発明の整流子モータは、枠部の互いに対向した一方の辺部に磁極部を配置し、枠部の互いに対向した他方の辺部は、端部から中央部になるに従って幅を狭くし、他方の辺部の中央部の幅を、一方の辺部の幅よりも狭くした構成である。

これによって、磁気飽和を発生させることなく、整流子モータの軽量化が可能となる。

また、本発明の電気機器は、このような本発明の整流子モータを具備した構成である。

本発明の整流子モータは、磁束の流れる経路全体における磁気飽和を抑制することができるので、磁気特性の劣化を防止して効率を向上させることができるとともに軽量化することができる。

本発明の実施の形態における整流子モータを備えた電動送風機の構成図同整流子モータの界磁コアの平面図同整流子モータの電機子コアの平面図同整流子モータの界磁コアと電機子コアとの配置関係を示す平面図作成した各モデルにおける電機子コアと磁極部との磁束の比率を示す図従来の整流子モータの界磁コアの構成を示す平面図界磁コアにおける磁束密度の分布を示す最大磁束密度分布図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
本発明の実施の形態における整流子モータを用いた電気機器について図面を参照しながら説明する。本実施の形態ではこのような電気機器の一例として、電気掃除機に具備される本整流子モータを用いた電動送風機を挙げて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における整流子モータ２０を備えた電動送風機１０の構成を示す部分断面図である。

電動送風機１０は、一方を開口した略カップ状のブラケット１２内に、本実施の形態の整流子モータ２０を設けた構成である。整流子モータ２０は、図１に示すように、界磁であるステータ３０と、電機子であるロータ４０とを含み構成されている。

ステータ３０は、方形筒状を成す界磁コア３１に界磁巻線３２を巻回している。このようなステータ３０がブラケット１２の内側に固定されている。

一方、ロータ４０は、電機子コア４１と電機子巻線４２と回転軸４３と整流子４５とを含み構成されている。電機子コア４１には、電機子巻線４２が巻回されており、電機子コア４１の中心を貫通するように回転軸４３が結合されている。また、ロータ４０は、回転軸４３の両端がそれぞれ軸受１３によって回転自在に支承されている。さらに、回転軸４３には整流子４５が配設されている。

そして、ブラケット１２には、ブラシ保持器１４が固定されている。さらに、ブラシ保持器１４は、一対のカーボンブラシ（図示せず）を保持している。その一対のカーボンブラシが、整流子４５に当接している。以上のようにして、整流子モータ２０が構成されている。

また、電動送風機１０において、ブラケット１２の開口した側を覆うように、ファンケース１５が取り付けられている。ロータ４０の回転軸４３は、ブラケット１２の開口からファンケース１５内へと延伸し、その回転軸４３の先端部には、遠心ファン１６が取り付けられている。さらに、遠心ファン１６とブラケット１２の開口との間には、エアガイド１７が取り付けられている。このように、ファンケース１５内には遠心ファン１６およびエアガイド１７が配置されている。

以上のように構成された電動送風機１０において、外部から整流子モータ２０に電力が供給されると、電機子電流がカーボンブラシおよび整流子４５を介して電機子巻線４２に流れるとともに、ステータ３０の界磁巻線３２には界磁電流が流れる。そして、界磁電流によって界磁コア３１で発生した磁束と、電機子巻線４２を流れる電機子電流との間で力が発生し、ロータ４０が回転する。このロータ４０の回転に伴なって、遠心ファン１６が回転する。この回転によって、吸気口１８から空気が吸入されて遠心ファン１６の中に流れ込み、ブラケット１２内を経て、電動送風機１０の外に排出される。

次に、整流子モータ２０のさらに詳細な構成について説明する。

図２は、本発明の実施の形態における整流子モータ２０の界磁コア３１の平面図である。

界磁コア３１は、まず、電磁鋼板を、図２に示すような内側に開口を有した方形枠状の形状に打抜き、さらに、打抜いて形成された界磁コア素材を、複数枚積層することで構成されている。このように構成することで、界磁コア３１は方形筒状の形状を成している。また、界磁コア３１は、方形状を成す枠部３４とともに、開口箇所には、対向する一対の磁極部３５が形成されている。

より詳細には、枠部３４は、図２に示すように、互いに対向した一方の辺部３４ｄと互いに対向した他方の辺部３４ｃとで構成され、それぞれの辺部によって方形状を成している。そして、磁極部３５が、辺部３４ｄの中央部から枠部３４内の開口へと突出している。さらに、磁極部３５は、辺部３４ｄに繋がった磁極基部３５ａと、この磁極基部３５ａからさらに２方向に突出するように延伸する磁極突部３５ｂとを有している。このような磁極部３５の最内周側は、電機子コア４１の外周形状に沿うように円弧状に形成されている。

また、詳細については以下で説明するが、辺部３４ｃは、端部から中央部になるに従って幅が狭くなるような構造としている。すなわち、図２において、中央部幅Ｃ＜端部幅Ｃｗとなる。さらに、図２では、辺部３４ｄが延伸する方向において、磁極基部３５ａが最も狭くなる幅を幅Ｂとし、辺部３４ｄの端部近辺の一様となる幅を幅Ｄとしている。さらに、界磁コア３１の対角の大きさをＲとしている。このような磁極部３５の双方に界磁巻線３２が巻回される。そして、両磁極部３５に挟まれるようにして、界磁コア３１内に電機子コア４１が配置される。

図３は、本発明の実施の形態における整流子モータ２０の電機子コア４１の平面図である。

電機子コア４１は、図３に示すように、直径Ａの円形状の電機子コア基部４１ｂから外周方向に複数のティース４１ｔが突出した構造を有している。また、互いに隣接するティース４１ｔ間にはスロット４１ｓが形成されている。このスロット４１ｓの空間を利用して電機子巻線４２がティース４１ｔに巻回される。

図４は、本発明の実施の形態における整流子モータ２０の界磁コア３１と電機子コア４１との配置関係を示す平面図である。図４では、界磁コア３１と電機子コア４１とをブラケット１２内に配置した状態を上面から示している。ただし、それぞれの巻線等については省略している。

界磁コア３１の各角部には、ブラケット１２の回転軸４３方向に沿って当接面が形成されている。この当接面が図４に示すようにブラケット１２の内周面に圧接され、界磁コア３１に界磁巻線３２を巻回したステータ３０がブラケット１２内に固定される。

以上のように、整流子モータ２０は、界磁巻線３２を巻回した方形筒状の界磁コア３１を含む界磁であるステータ３０と、電機子巻線４２を電機子コア４１のスロット４１ｓを介して巻回し、界磁コア３１の筒内に回転自在に設けられた電機子であるロータ４０とを具備している。さらに、界磁コア３１は、方形状を成す枠部３４と、枠部３４の互いに対向した一対の辺部３４ｄから筒内側に突出した一対の磁極部３５とを備えている。

ところで、図７の磁束密度分布図を用いて説明したように、磁気飽和の発生しやすい箇所は界磁コアの各辺部ではなく、磁極部である。すなわち、磁極部において磁気飽和が発生することでその領域の磁気特性が劣化し、有効な磁束が減少することになる。

そこで、５種類の形状の異なる整流子モータのモデルを作成し電機子コアおよび界磁コアを流れる磁束をＣＡＥにより算出した。さらに、各モデルに対して、電機子コアを流れる磁束と界磁コアの磁極部を流れる磁束との比率を求めた。ここで、界磁コア３１の対角の大きさＲとしては、電気掃除機用の整流子モータの一般的な外径サイズに合わせて、７５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲としている。

図５は、作成した各モデルにおける電機子コアと磁極部との磁束の比率を示す図である。ここで、電機子コアを流れる磁束を１００とした場合の界磁コアの磁極部を流れる磁束の比率を示している。

図５に示すように、電機子コアを流れる磁束量を１００とすると、磁極部を流れる磁束量はおよそ１０７〜１１０である。すなわち、磁極部を流れる磁束量は、電機子コアよりも最大１０％多いことになる。

ここで、図４に示す構成において磁束の流れを考えた場合、電機子コア４１を流れる磁束は、ティース４１ｔから流入し中心近傍では電機子コア基部４１ｂ（すなわち、スロット４１ｓ底部間）の直径Ａの領域を流れる。また、上述した磁束量の結果より、磁極部３５には、電機子コア４１の最大１．１倍の磁束が流れる。このため、磁極基部３５ａの最も狭くなる箇所の幅Ｂが、電機子コア基部４１ｂの直径Ａの１．１倍未満では磁気飽和を生じることになる。

以上のような観点に基づき、本実施の形態では、磁極部３５の根元の幅Ｂを、電機子コア４１のスロット底部の直径Ａの少なくとも１．１倍としている。これより、磁極部３５の磁極基部３５ａにおいて、十分な磁束の流れの経路を確保し、磁気飽和の発生を抑制している。

一方、磁極部３５を設けた辺部３４ｄと直交する辺部３４ｃは、図７を参照すると、端部近傍で磁束が漏れ、端部よりも中央部を流れる磁束が減少している。これより、辺部３４ｃの中央部の幅Ｃを狭くしても磁気飽和には影響しにくいことがわかる。そこで、本実施の形態では、辺部３４ｃにおいて、端部幅Ｃｗの端部から中央部幅Ｃの中央部になるに従って幅が狭くなるような構造としている。さらに、本実施の形態では、その中央部幅Ｃを、辺部３４ｄの端部近辺の幅である端部幅Ｄよりも狭くしている。すなわち、辺部３４ｃにおいて端部から中央部になるに従って狭くなるように構成したとしても、磁気飽和は発生しないため、これによって、整流子モータ２０を軽量化することができる。

また、本実施の形態では、辺部３４ｃでの中央部幅Ｃを狭くするために、図２や図４に示すように、辺部３４ｃの互いに対向した外側どうしを平行とし、辺部３４ｃの内側どうしの幅が中央部になるに従って広くなるようにしている。これにより、界磁コア３１内側の開口面積を増やすことができ、界磁巻線３２を巻回した界磁コア３１の占積率を高めることができる。

以上のように、本実施の形態では、電機子コア基部４１ｂの直径Ａと、磁極基部３５ａの最狭箇所の幅Ｂとの関係において、１．１Ａ≦Ｂとすることで、磁束の流れる経路全体における磁気飽和を抑制し、磁気特性の劣化を防止して効率の向上を図っている。

さらに、辺部３４ｃの中央部幅Ｃと、辺部３４ｄの端部幅Ｄとの関係において、Ｃ＜Ｄとすることで、磁気飽和を発生させることなく、整流子モータ２０の軽量化をも図っている。

以上、本発明の整流子モータは、界磁巻線を巻回した方形筒状の界磁コアを含む界磁と、電機子巻線を電機子コアのスロットを介して巻回し、界磁コアの筒内に回転自在に設けられた電機子とを具備する。さらに、界磁コアは、方形状を成す枠部と、枠部の互いに対向した一対の辺部から筒内側に突出した一対の磁極部とを備える。そして、磁極部の根元の幅を、電機子コアのスロット底部の直径の少なくとも１．１倍としている。これより、磁束の流れる経路全体における磁気飽和を抑制できる。したがって、本発明の整流子モータによれば、磁気特性の劣化を防止して効率の向上を図った整流子モータおよびこれを備えた電気機器を提供することができる。

また、本発明の整流子モータは、枠部の互いに対向した一方の辺部に磁極部を配置し、枠部の互いに対向した他方の辺部は、端部から中央部になるに従って幅を狭くし、さらに、他方の辺部の中央部の幅を、一方の辺部の幅よりも狭くしている。これにより、磁気飽和を発生させることなく、さらに、整流子モータの軽量化を図った整流子モータおよびこれを備えた電気機器を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる整流子モータは、磁気特性の劣化を防止して効率向上が可能となるとともに、軽量化できるので、電動送風機またはこれを搭載した電気掃除機に適用できる。

１０電動送風機
１２ブラケット
１３軸受
１４ブラシ保持器
１５ファンケース
１６遠心ファン
１７エアガイド
１８吸気口
２０整流子モータ
３０ステータ
３１，９７界磁コア
３２界磁巻線
３４枠部
３４ｃ，３４ｄ，９７ａ，９７ｂ辺部
３５両磁極部
３５，９７ｃ磁極部
３５ａ磁極基部
３５ｂ磁極突部
４０ロータ
４１電機子コア
４１ｂ電機子コア基部
４１ｓスロット
４１ｔティース
４２電機子巻線
４３回転軸
４５整流子

Claims

界磁巻線を巻回した方形筒状の界磁コアを含む界磁と、電機子巻線を電機子コアのスロットを介して巻回し、前記界磁コアの筒内に回転自在に設けられた電機子とを具備する整流子モータであり、
前記界磁コアは、方形状を成す枠部と、前記枠部の互いに対向した一対の辺部から筒内側に突出した一対の磁極部とを備え、
前記磁極部の根元の幅を、前記電機子コアのスロット底部の直径の少なくとも１．１倍とする構成を具備し、
さらに、
前記枠部の互いに対向した一方の辺部に前記磁極部を配置し、
前記枠部の互いに対向した他方の辺部は、端部から中央部になるに従って幅を狭くし、
前記他方の辺部の中央部の幅を、前記一方の辺部の幅よりも狭くしたことを特徴とする整流子モータ。
前記界磁コアの対角方向の大きさを７５ｍｍから１００ｍｍまでの範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の整流子モータ。