JP6039890B2 - 整流子電動機及びそれを用いた電動送風機及び電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、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整流子電動機の固定子構造に関するものである。

従来、電気掃除機及び電動工具用の整流子電動機は、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とで主に構成されている。この種の整流子電動機では、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ために、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。従来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や単一のスリットを磁極部の中心軸から傾けて設ける構造が提案されている（特許文献１参照）。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２参照）。

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、固定子における磁極部の磁束密度が疎な部分である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）。

特開２００５−２０９３１号公報 特開平６−６９４３号公報 特開２００３−１５３４７１号公報

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界磁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ているが、トルクが最大化する界磁磁束と電機子磁束の和となる点については開示されていない。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が、上記と同様のことが言える。

上述した背景技術では、電機子反作用を低減できているものの、トルクが最大化する固定子の界磁磁束と電機子の電機子磁束の和については考慮されていない。

また、特許文献３に至っては、磁極部の磁束密度が疎な部分に複数の貫通穴を設けることで軽量化することに主点を置いている。電機子反作用の低減については整流子電動機にあるカーボンブラシと整流子の接触位置で考慮している。

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

前記課題を解決した本発明の特徴によれば、環状のヨーク部１１と、前記ヨーク部１１の内側に対向して形成される磁極部１２とからなる固定子鉄心１３と、前記磁極部１２に巻装される界磁コイル１４とからなる固定子１と、Ｔ字形のティース２３を有する電機子鉄心２１に形成されているスロットＳ１〜Ｓ１２に巻装される電機子コイル２２を有し、かつ前記磁極部１２間に配置される電機子２と、を備えた整流子電動機において、前記固定子の中心と前記固定子の磁極片部先端とのなす角度が等しくなる中心線を磁極部中心とし、前記磁極部１２は、磁極部中心に対して対称な形状であり、前記固定子１の磁極部１２に、前記磁極部中心と同じ方向に伸びるスリット１５を形成すると共に、該スリット１５位置を前記磁極部１２中心から前記電機子が回転する進行方向にずらしたことを特徴とする。

本発明によれば、磁極部に磁極部中心と同じ方向に伸びるスリットを形成すると共に、該スリット位置を磁極部中心から電機子の回転する進行方向側にずらすことで、電機子反作用を低減しつつ、界磁磁束を阻害せずに整流性能の向上とトルクの向上を達成することができる。

本発明のスリットを磁極部の中心から電機子の回転進行方向にずらした固定子と電機子の断面図。 本発明のスリットを磁極部の中心から電機子の回転進行方向にずらした磁極部の拡大図。 本発明の実施形態の電動機における界磁磁束と電機子磁束の流路の簡易図。 整流子電動機における、アンペアターンに対する界磁磁束量と界磁磁束と電機子磁束量の和を示した簡易図。 本発明のスリット位置を磁極部中心から距離δ変化させた場合のスリット位置δに対するトルク増加分の簡易グラフ。 本発明のスリットの磁極部の電機子側に開口部を設けた固定子と電機子の断面図。 本発明のスリットの磁極部の電機子側に開口部を設けた固定子において、軸方向の積層された固定子のうち、軸方向の上下部にスリットを設けない固定子鉄心を設けた固定子（ａ）と、軸方向の中心部にスリットを設けない固定子を複数枚設けた固定子（ｂ）。 本発明の実施形態の固定子の磁極片部の電機子と対向しない面の先端部に段差を設けた固定子の断面図。 電動送風機の構造を示す図。 電気掃除機の外観を示す斜視図。 電気掃除機の掃除機本体を示す斜視図。 スリットの形成された１枚の固定子鉄心の斜視図。 スリットの形成されていない１枚の固定子鉄心の斜視図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。

本発明の実施形態を、図１〜図９を用いて説明する。

図１は本発明の固定子形状と電機子形状を示す断面図である。図１において、電動機３２は固定子１と電機子２とから構成される。固定子１は、ヨーク部１１と磁極部１２とからなる固定子鉄心１３と、磁極部１２に巻装される界磁コイル１４とからなる。本実施例において、固定子１には磁極部１２が２つ対向するように設けられている。ヨーク部１１は対向する磁極部１２をつなぐように設けられており、ヨーク部１１と磁極部１２により固定子１は略環状となる。電機子２は、対向する磁極部１２の間に配置される。電機子２は、Ｔ字型のティース２３を有する電機子鉄心２１と、電機子鉄心２１に形成されているスロットＳ１〜Ｓ１２に巻装される電機子コイル２２とから構成されている。固定子１は薄板の積層により形成されている。

図２は磁極部１２の拡大図である。

図２のように、固定子１の磁極部１２に前記磁極部１２の磁極部中心と同じ方向に伸びる楕円状のスリット１５が形成される。磁極部１２において、スリット１５は、磁極部１２の中心からδずらした位置にスリット１５中心部となるよう配置される。本実施例において、スリット１５は固定子鉄心１３の外周面近傍から磁極部１２の内周面近傍まで伸ばして形成される。スリット１５と固定子鉄心１３の外周面との間の部分を磁気ブリッジ１７ａ、スリット１５と磁極部１２の内周面近傍との間の部分を磁気ブリッジ１７ｂと呼ぶこととする。磁気ブリッジ１７ａ，１７ｂの厚さは積層板厚の約３倍以下になるように薄いほうが良い。磁気ブリッジ１７ａ，１７ｂの厚さを薄く設定することで、磁気ブリッジ１７ａ，１７ｂの磁路が狭くなる。磁路が狭くなると磁気飽和するため、ほとんど磁束が通らなくなる。これにより磁束を遮断することができる。また、スリット１５は磁極部１２の内周面と固定子鉄心１３とにわたるものではなく磁気ブリッジ１７ａ，１７ｂを設けているため、ヨーク部１１と磁極部１２とはつながっており、固定子の機械的強度は維持される。そのため、薄板を積層して構成される固定子の機械的強度を維持しながら最大限にスリット１５の効果を得ることができる。磁気ブリッジ１７ａの長さをａ、磁気ブリッジ１７ｂの長さをｂとする。本発明の実施例では、磁気ブリッジ１７ａ，１７ｂの厚さをａ＝ｂ＝積層板厚×約１.３倍としている。

図２に記載されているように磁極部１２とヨーク部１１がつながる部分から磁極中心部までの距離をＬとする。また、スリット１５の中心部から磁極中心部までの距離をδとする。

図３に示すように電機子が反時計方向に回転するとき、ヨーク部１１→磁極部１２→電機子２→磁極部１２→ヨーク部１１・・・を周回するように界磁磁束が発生し、さらにティース２３→磁極部１２→ティース２３→電機子鉄心２１→ティース２３・・・を周回するように電機子磁束が発生する。このとき、電機子２の回転方向進行側の磁極部の磁極片部では界磁磁束と電機子磁束は同磁極でもってぶつかり合うため、界磁磁束が減磁される。逆に電機子の回転方向反対側では界磁磁束と電機子磁束は互いに異なる磁極となるため界磁磁束は増磁される。これが電機子反作用の作用であるが、本発明では図２に示すスリットを磁極中心からずらすことで電機子反作用の抑制の調整を可能にした。

上述した電機子反作用による主磁束への影響、いわゆる減磁作用は、図４のような界磁磁束と電機子磁束の関係となる。アンペアターンは界磁コイルの巻数と界磁コイルに流れる電流を乗じたものであり、それに応じた界磁磁束が発生する。同じアンペアターンでは、電機子反作用により、界磁磁束と電機子磁束の和である主磁束は界磁磁束のみの磁束よりも小さい。電機子反作用を低減させれば電機子磁束による界磁磁束の減少分も低減できる。本発明では磁極部中心からスリット中心までの配置位置をずらすことにより電機子反作用を抑制しながら界磁磁束と電機子磁束の和の最大点が得られることを見出した。

この結果、図５に示すように、スリット１５が磁極部１２中心に配置されているときをδ＝０とし、前記スリット１５位置を前記磁極部１２の中心から電機子２の回転方向進行側へ離していくと、δ＝０を基準としたときのトルクよりも増加していき、増加分のピーク点δ１が得られた。さらにスリット１５を磁極部１２の中心から離していくと徐々にトルク増加分は減少し、ついにはδ＝０のときと同様のトルクが得られてしまう点δ２が現れることを確認した。また、前記スリット１５位置を前記磁極部１２中心から前記電機子２の回転反対方向へ離すと、δ＝０のときよりもトルクは減少してしまう傾向にあることを確認した。中心位置にスリットを設けたもの（δ＝０）よりも大きいトルクが得られる範囲は０＜δ＜δ２である。また、本実施例においては、δ２≒２／３Ｌであるため、中心位置にスリットをもうけたもの（δ＝０）よりも大きいトルクが得られる範囲は０＜δ＜２／３である。本実施例において、Ｌ＝９.１２mm，δ１＝１.５２mm、δ２＝６mmである。１７ａや１７ｂの厚さは０.３mmである。ただし、この値は固定子の大きさや配置などによって変わるため、この限りではない。１７ａ，１７ｂの厚さは機械的な強度で決まるため、この限りではない。また、スリットを設けない固定子構造のものよりも基準としたδ＝０点でのスリット付の固定子構造のものの方が大きいトルクが得られる。

図９は電動送風機の構造を示す図である。

電動送風機３１は電動機（整流子電動機）３２と送風機３３から構成される。電動機３２は、ハウジング３４の内周側に固定された固定子鉄心１３に界磁コイル１４を巻装した固定子１，ハウジング３４に設けられた軸受け８ａと、エンドブラケット９に設けられた軸受け８ｂによって保持されるシャフト１０、シャフト１０には電機子鉄心２１と整流子３５が固定され、電機子鉄心２１の電機子スロット３６中に巻装された電機子巻線３７が整流子３５に接続された回転子３８からなり、整流子３５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３９と、カーボンブラシ３９を保持するとともにハウジング３４に固定するためのブラシホルダ４０とからなる。送風機３３は、ナット４１によりシャフト１０の一端に固定される遠心ファン１９、遠心ファン１９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２０、空気流を電動機３２内へ導くディフューザ２０と一体に成形されたリターンガイド４２、遠心ファン１９とディフューザ２０を覆うファンケーシング４３によって構成される。

整流子３５は、その円周面に整流子片３５ａを有し、各整流子片３５ａは回転子３８内の電機子巻線３７と接続されている。カーボンブラシ３９は、つる巻バネ４４により整流子３５に押し付けられ、整流子３５に摺接している。４５はカーボンブラシ３９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４０に設けられた端子（図示せず）と接続されている。

電動送風機３１が回転を開始すると回転子３８が回転し、回転子３８と同軸に固定された遠心ファン１９も回転する。遠心ファン１９が回転するとファンケーシング４３の空気取り入れ口４６から空気が流入し、遠心ファン１９，ディフューザ２０，リターンガイド４２を通り電動機３２内部へと流れ込み、電動機３２を冷却しつつ電動機３２から排出される。

図１０に示すように、電気掃除機１０１は、掃除機本体１０２と、ホース部１０３と、手元操作スイッチＳＷ等が設けられた操作管１０４と、伸縮自在に設けられた延長管１０５と、第２の吸込具１０６および第１の吸込具１０７とを備えて構成されている。

掃除機本体１０２は、内部に電動送風機３１（図１１参照、以下同じ）を備え、操作管１０４の手元操作スイッチＳＷを操作すること等によって電動送風機３１の運転の強弱切り替えや、第１の吸込具１０７に設けられた図示しないパワーブラシの入り切り等が行えるようになっている。

掃除機本体１０２から第１の吸込具１０７までのホース部１０３，操作管１０４，延長管１０５，第２の吸込具１０６の内部には、図示しない通風路が設けられており、電動送風機３１により発生させた吸引力により吸引された塵埃は、第２の吸込具１０６，延長管１０５，操作管１０４，ホース部１０３を通じて掃除機本体１０２に吸引され、集塵装置１１１（図１１参照、以下同じ）に集塵される。

掃除機本体１０２の外殻は、図１１に示すように、下ケース２０１と上ケース２０２とによって覆われている。集塵装置１１１は、掃除機本体１０２の前側（接続口１０２ａが設けられる側）に位置しており、上ケース２０２の上部には、ハンドル２００が一体的に設けられている。また、ハンドル２００の前方には、開閉可能な蓋部材３０が設けられており、集塵装置１１１の上部が蓋部材３０で開閉可能に塞がれるようになっている。

図１１に示すように、掃除機本体１０２は、前端部に、管状の接続口１０２ａを備えている。掃除機本体１０２の前部側には、接続口１０２ａから吸い込んだ塵埃を分離収集する集塵装置１１１が備わり、掃除機本体１０２の後部側には、集塵装置１１１に連通して吸引力を発生する電動送風機３１が備わる。

接続口１０２ａには、ホース部１０３（図１０参照）に設けられた図示しない継手管が挿入されて保持されるようになっている。接続口１０２ａの内部には、シール部材が設けられており、シール部材は、継手管と集塵装置１１１側に設けられた図示しない入口管との気密を保持するようになっている。掃除機本体１０２の前部下面（集塵装置１１１の下方）には、キャスタ１０２ｃが設けられている。

集塵装置１１１は、塵埃分離部１１１ａと塵埃収容部（塵埃収容器）１１ｂとを有して構成されている。塵埃分離部１１１ａは、吸い込んだ空気を旋回させ、遠心分離作用（サイクロン方式）によって塵埃を分離する部分である。塵埃収容部１１１ｂは、塵埃分離部１１１ａに連通しており、塵埃分離部１１１ａで分離された塵埃を収容する図示しない集塵かごを内部に備えている。

塵埃分離部１１１ａと塵埃収容部１１１ｂとは、集塵装置１１１の軸方向（前後傾斜方向）に配列され、それぞれの向かい合う軸方向端部同士が接続されて空気の通流可能に連通されており、使用者の操作によって容易に分離可能に構成されている。このうち塵埃分離部１１１ａは、掃除機本体１０２の前側に配置され、塵埃収容部１１１ｂは、塵埃分離部１１１ａよりも掃除機本体１０２の斜め後側に配置されている。塵埃分離部１１１ａの前端部には、図示しない開口部が設けられており、その開口部が前記入口管に接続されている。

塵埃分離部１１１ａは、外筒１１１ａ１と、この外筒１１１ａ１内に設けられ、フィルタ機能を有する内筒１１１ａ２とを有している。塵埃分離部１１１ａ内において、空気は、図示しない貫通孔を通じて内筒１１１ａ２の外側（外筒１１１ａ１の内側）から内筒１１１ａ２の内側に流れるようになっており、その際、貫通孔を通らない大きなゴミが外筒１１１ａ１と内筒１１１ａ２との間に分離されるようになっている。この場合、吸込力にもよるが、例えば、１円玉以上の重さを有するゴミは、外筒１１１ａ１内において吸い上げられることなく、外筒１１１ａ１に残されるようになっている。

これらの外筒１１１ａ１と内筒１１１ａ２とは、使用者の操作によって容易に分離可能に設けられている。これによって、ゴミ捨て時には、外筒１１１ａ１と内筒１１１ａ２とを分離することによって、外筒１１１ａ１の内部に堆積したゴミを排出することができ、内筒１１１ａ２の貫通孔に引っ掛かった髪の毛や糸屑等のゴミがある場合にも、これを容易に除去することができる。

このような集塵装置１１１は、上ケース２０２の前部に開口した収容室２ｇ（図９参照）に、左右両側から側壁２４３（図１１では片側のみ図示、以下同じ）で保持されるようにして収容される。

側壁２４３は、集塵装置１１１に沿うように上ケース２０２の前部から中央部にかけて上り傾斜状に形成されており、側壁２４３の上端部には、ハンドル２００が一体的に固定されている。

他の実施例として、図６は前述したスリット１５の、磁極部１２の内周面側に開口部１６を設けたものである。開口部１６によりスリット１５から磁極部１２の内周面は連通している。開口部１６を設けることで磁極部１２の内周面側に磁気ブリッジ１７を有しているよりも磁気抵抗が大きくなるため、さらに磁束を遮断することができ、より電機子反作用の抑制することができる。前記開口部１６は固定子鉄心の外周側に設けても同様の効果を奏する。

さらに他の実施例として機械的強度を確保するためにスリット１５内部に非磁性体の充填またはクサビ等を挿入して補強しても良い。この場合も上記実施例と同様に電機子反作用は抑制できる。

図７（ａ）は本発明の他実施例である。スリット１５の磁極部１２の内周面側に開口部１６を設けた前記磁極部１２を有する固定子鉄心１３において、軸方向に積層された固定子１の軸方向の中央部に前記スリット１５を有さない固定子鉄心１３を複数枚積層した前記固定子１である。これにより、製造する際の外力に対する機械的強度を確保することができる。また、図７（ｂ）に示すように、軸方向に積層された固定子１の軸方向の上下部にスリット１５を有さない固定子鉄心１３を積層して組合せを変えても良い。図７（ａ）において、固定子はスリット１５が設けられている固定子，設けられていない固定子，設けられている固定子という順になるよう設けられている。上記に記載したように全てスリット１５を設けた形で製造する際の外力に対する機械的強度を確保するためである。本実施例において、スリット１５が設けられている部分の積層固定子鉄心の厚さは８.５１mmと７.１４mmであり、スリット１５が設けられていない部分の積層固定子鉄心の厚さは４.３７mmである。これは固定子を電動機に設けるときの凹み係合部が固定子外周面に設けられており、大きさが４mm程度であるためである。この凹み係合部を設ける際の外力により固定子鉄心が変形することを防ぐためにスリット１５のない部分が設けられている。凹み係合部はスリット１５のない部分に設けられている。ただし、機械的強度が設けられていれば良いため、大きさはこの限りではない。

図８は、固定子１の磁極部１２の磁極片部１８の電機子２に対向しない面の先端部に段差を設けた構造である。前記磁極片部１８の先端部の磁気抵抗を増加させ、電機子磁束が磁極部１２に流れ込むのを抑え込むことで電機子反作用を抑制している。したがって、本発明の前記磁極部１２中心から配置位置を前記電機子２の回転する進行方向へδずらし、磁極部中心と同じ方向に伸びるスリット１５と一緒に整流子電動機に採用することで、さらに電機子反作用の抑制の効果を得ることができる。

１ 固定子
２ 電機子
１１ ヨーク部
１２ 磁極部
１３ 固定子鉄心
１４ 界磁コイル
１５ スリット
１６ 開口部
１７ 磁気ブリッジ
１８ 磁極片部
２１ 電機子鉄心
２２ 電機子コイル
２３ ティース
Ｓ１〜Ｓ１２ スロット

Claims (4)

1. 環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内側に対向して形成される磁極部とからなる固定子鉄心と、前記磁極部に巻装される界磁コイルとからなる固定子と、Ｔ字形のティースを有する電機子鉄心に形成されているスロットに巻装される電機子コイルを有し、かつ前記磁極部間に配置される電機子と、を備えた整流子電動機において、
   前記固定子の中心と前記固定子の磁極片部先端とのなす角度が等しくなる中心線を磁極部中心とし、
   前記磁極部は、該磁極部中心に対して対称な形状であり、
   前記固定子鉄心の磁極部に、前記磁極部中心と同じ方向に伸びるスリットを形成すると共に、該スリット位置を前記磁極部中心から前記電機子が回転する進行方向にずらしたことを特徴とする整流子電動機。
2. 前記磁極部の磁極片部の電機子と対向していない面の先端部に段差部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の整流子電動機。
3. 請求項１又は２に記載された整流子電動機と、送風機と、からなることを特徴とする電動送風機。
4. 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、前記捕集部材に気流を吸い込むための気流を発生させる電動送風機と、を有する電機掃除機において、
   前記電動送風機として請求項３に記載された電動送風機を用いることを特徴とする電気掃除機。