JPS6259544B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小型電動フアンに関するものである。

従来から一般的に使用されている電動フアン
は、交流電動機を動力源としてプロペラを回すも
ので、隅取型誘導電動機を使用するものが多い。
この方式は構造的に簡単で安価に出来る特長があ
るが、回転数が電源周波数で決められるある値で
固定され、高速回転にすることは特殊な場合を除
いて不可能である。更に効率が悪く消費電力当り
の風量、静圧等の空力効率の悪い欠点がある。

一方、効率的には直流電動機を動力源とした直
流電動機フアンがあり、半導体素子の進歩により
実装密度の増大や電子機器の小型化による極部冷
却の必要性から小型軽量で高出力の電動機フアン
として使用される様になつているが、直流電動機
には整流子を使用するので、寿命が短くノイズの
発生がある等の欠点がある。

又直流電動機の特長を生かし、整流子の欠点を
除いた整流子なしの電動機を用いた直流整流子な
しの電動機フアンも一部で使われているが、構造
が複雑で、例えば固定子巻線を多相巻きにしたも
の、回転子磁石を複数個使うもの、電流制御駆動
回路を電動機外部に付属させる等のことから、必
然的に高価となり、且つ形状も大きくなる等の欠
点がある。

本発明は直流電動機の整流子の使用による欠点
を除去したもので、整流子なしの直流可変速電動
機を使用した小型軽量で、高出力、高効率の電動
機フアンや安価に提供しようとするものである。

次に本発明について添付図面に基づいて詳細に
説明する。

第１図は、本発明の実施される基本的構造を図
示する直流整流子なしの電動機フアンの断面図で
ある。但し固定子鉄心の構成については、後述の
如く、改良を加えるもので、第１図のものは改良
前の状態を示す。

ベンチユリー１の内側に固定翼２を介して電動
機保持筒３を設けその内側に電動機を保持固定
し、電動機の回転軸４の先端にプロペラ５を固定
し、電動機の作動に従つてプロペラがベンチユリ
ー１内で回転し送風する。

電動機の構造は以下の通りである。電動機保持
筒３の内側にケース６を設け、その内側に巻線用
溝や巻線極を有しない固定子鉄心７を装着し、こ
の固定子鉄心の内径表面に巻線８が接着固定さ
れ、又ケース６の前後両端に軸受１１，１２を持
つたブラケツト９，１０が固定され、然して固定
子鉄心の内径表面に接着その他の方法により固定
された巻線８は前記空隙に分布して配設されてい
る。前後両軸受１１，１２に回動自在に軸４が保
持され、巻線８の内側に空隙を介して永久磁石よ
りなる回転子１３（以下単に回転子永久磁石１３
という）が回転自在の軸４に同心的に固定されて
いる。後部ブラケツト１０の後部に転流用電子回
路基板１４が固定され、この基板には電子部品１
５が装着され、リード線１６で外部電源と接続さ
れ、カバ１７で蔽われている。

又ケース６の後部内側に回転子永久磁石１３と
対向して位置検出素子（本実施例ではホール素
子）１８が固定されている。

尚前記回転子永久磁石の代わりに回転子永久磁
石と同極数の位置検出用永久磁石を使用すること
も出来る。

小型、軽量で、出力を大きくとるためには、電
動機の外径が小さく且つ軽量で効率の良いことが
必然的に要求されるものであり、本発明はこの要
求に答えることが出来るものである。すなわち、
本実施例の場合においてはベンチユリー１の外径
φ36mm、長さ46mm、プロペラ５の外径φ33mm、電
動機ケース６の外径φ20mmに於て入力約4Wの時
最大風量400l／min、最大静圧20mmAgが達成出
来、実験の結果効率40％が得られた。若し交流電
動機の場合に上記と同一寸法であるときは、到底
上述の如き性能は実現出来ない。

直流整流子なし電動機において外径を小さくす
るためには、第３図に図示のモータ断面図の様
に、巻線複数相と位置検出素子複数個を回転子永
久磁石と磁気的関係を維持する位置に設けた構造
をとることが出来る。

上述の説明は２極２相の回転子固定子の場合に
ついてのべたものであるが、巻線相数、位置検出
素子数、回路相数が多くなり構造が複雑となるの
が欠点であつた。

第３図に図示の場合は、回転子位置が０゜の状
態で、ａ相のみが図示の方向に通電され、回転子
磁石１３の磁束が矢印の方向に流れているので、
フレミング左手の法則より、回転子１３は固定子
巻線導体８との相互作用により、右回り矢印の方
向に力を受ける。回転子永久磁石１３の回転によ
り、位置検出素子１８の電気的働きにより、電子
回路が動作し、90゜の位置ではｂ相が動作する様
になり、同じ方向の力を回転子１３に与える。以
下第４図に示す様に、連続してトルクを発生し回
転子は回転を持続する。

図中、Paはａ相、Pbはｂ相におけるそれぞれ
のトルク曲線、Ｐ（ａ＋ｂ）は前両者の綜合状態
を示す。

次に第５−１図に図示の様に、第３図のｂ相の
巻線を除き、ａ相のみを使用する場合には固定子
鉄心７の内周表面にａ相巻線８を各極当り適宜の
角範囲にわたつて分布配設し、位置検出素子１８
に回転子永久磁石１３のＮ極の磁界が作用して、
電子回路よりａ相巻線導体８に図示の方向に電流
が流れれば、フレミングの左手の法則により、矢
印の方向に回転子１３を回す力が発生する。本実
施例においては、適宜角度の算出は次の式によ
る。

Ｏ＜τ≒π／２＜π。

回転子１３が回転し第５−２図90゜の位置で
は、位置検出素子１８に磁界が作用せず、巻線導
体８に電流が流れないので回転子１３を回す力は
発生しない。しかし第５−１図に図示の回転角度
０゜の状態で発生した回転力の惰性で回転し、第
５−２図に図示の90゜の位置を越えれば、第５−
３図の状態となり、回転子永久磁石１３のＳ極の
磁界により、位置検出素子１８に発生した電圧に
より図示の方向の電流が巻線導体８に流れ、回転
子１３に第５−１図と同様な矢印の方向の回転力
が発生し、惰性回転の状態で、第５−４図を経て
第５−１図の状態に戻り、回転を継続することが
出来る。

この構造は、固定子鉄心７の空隙面に巻線導体
８が分布して配設されているので、一般に使われ
ている巻線導体用の溝等が設けられているものに
比較して、空隙全周にわたり磁気回路のパーミア
ンスが均一であるため、磁気的吸引力の勾配が無
く、一度回転角度第５−１図の０゜又は第５−３
図の180゜の状態から起動すれば、回転を持続す
ることが出来る。又空隙磁束分布を飽和特性ない
し台形分布とし、巻線導体を分布配設し、電子回
路の増巾度を適切に設定すれば、第５−２図，第
５−４図の様な回転力の発生しない領域をせまい
範囲に抑えることが出来、簡単且つ確実、円滑に
回転を持続させることが出来る。

しかし乍ら一方、第５−２図，第５−４図に図
示の様な電流の流れない状態となる停止位置から
は、自己起動することは出来ないのであるから、
自己起動発生の条件として、その様な電流の流れ
ない位置では停止しない様に工夫すればよい。

以下その様に工夫された実施例について説明す
る。

第７−１図に於て、電源がOFFの状態で、巻
線導体８に電流が流れない場合に、第７−１図に
図示の如く位置検出素子１８から回転子永久磁石
１３のＮ極が角度θ離れた位置で、磁気的吸引力
がバランスし回転永久磁石１３は静止している。
この静止位置を決定するために、図示の如く、角
度θに接して適宜の角度αを設け、この角度から
適宜の角度βの範囲内で、固定子鉄心７の内径面
に凹部１９を少くとも一ケ所以上に設ける。上記
角θは次の式で表わされる。

θ≒π／４ 上記角θは、位置検出素子から回転子磁極の静
止位置まで、電気角約40゜〜50゜はなれて設定さ
れる。

以下添付図面第８図及び第１０図を参照して、
上記角θの設定について詳しく説明する。第１０
図は固定子鉄心７、巻線８、回転子永久磁石１
３、位置検出素子１８の関係位置を、巻線８に通
電しないで安定的に回転子永久磁石１３が停止す
る場合において、位置検出素子１８と回転子永久
磁石１３の磁極の相対位置がそれぞれ違うＡ，
Ｂ，Ｃの各状態について図示している。

Ａ状態は安定停止位置を位置検出素子１８から
回転子永久磁石１３のＮ極を約π／４逆方向へ移
動した位置に設定した場合、Ｂ状態はＡ状態より
更にπ／４逆方向に移動し位置検出素子１８から
Ｎ極を約π／２逆方向の位置に設定した場合、Ｃ
状態は位置検出素子１８と回転子永久磁石１３の
Ｎ極を同じ位置で停止する様に設定した場合であ
る。尚巻線導体８は分布配設してあるので、位置
検出素子１８は分布巻きした導体円弧角のほぼ中
心に設置してある。これは運転条件によつて若干
の位置調整を行つた方が良い場合もある。

第１０図に於て、角度に対するトルクの関係は
回転子永久磁石１３の磁極が図の状態から各々の
回転角度の位置に移動した時の発生トルクを表
す。この図面からわかる様に巻線８に流れた電流
により発生するトルクPaは、１回転360゜につい
てトルク０の点が180゜毎に２回ある。又パーミ
アンスの変化によるトルク２０−１は、Ａ，Ｂ，
Ｃの状態の各々において、２０−１Ａ，２０−１
Ｂ，２０−１Ｃは360゜（２π）について90゜
（π／２）毎に４回発生する。第８図はＡの状態
の場合のトルク発生状態を単独に図示するもので
ある。

回転子永久磁石１３がどの位置で停止していて
も、巻線８に通電した時、所定の方向へ起動させ
るためには、電流により発生するトルクPaが０
の点或いは静止摩擦負荷トルクTo以下の範囲で
は、パーミアンスの勾配によるトルク２０−１
Ａ，２０−１Ｂ，２０−１Ｃがそれを越えた値と
なり、回転方向に回転子永久磁石１３を回転させ
停止状態にならない様にしなければならない。

本図からわかる様に、Ｂ状態、Ｃ状態共に360
゜について、２ケ所、Paが０の点と、パーミア
ンスの勾配によるトルク２０−１Ｂ，２０−１Ｃ
の０の点が一致する所が発生する。又合成トルク
２０−２Ｂ，２０−２Ｃも変動が大きく静止摩擦
負荷トルクToを下廻ることもあり得るので起動
条件を満足出来ない。

すなわち、Ａ状態では、停止時に通電すれば必
ず巻線８に電流が流れ、フレミング法則によるト
ルクPaを発生し、合成トルク２０−２Ａは変動
も少なく、静止摩擦負荷トルクToを上廻る値を
発生することが出来て、起動が可能となる。既に
説明のようにＡ状態では、回転子永久磁石１３の
磁極が位置検出素子１８より電気角θ≒45゜離れ
た位置に静止しているものである。所要速度の
高，低によつては巻線８のインダクタンスや回転
子永久磁石１３や負荷の慣性モーメント等の負荷
条件の変化や位置検出時のスイツチング電流の立
上りの遅れや加工精度や、組立上の誤差の補正等
を考慮し、若干の範囲内で停止位置の設定を変え
ることも含め角θは40゜〜50゜程度が最適位置の
範囲となる。

上記電気角は二極の場合におけるものである。

従つて固定子鉄心内径の凹部はこの電気角に応
じて、その位置がきめられるものである。すなわ
ち回転子磁極が位置検出素子より電気角約40゜乃
至50゜離れた位置に静止することを最適とするも
のである。

尚この凹部１９については、回転方向のパーミ
アンス変化をもたせ、トルク勾配をつけること
も、より有効な手段となる。

第７−１図で、回転子永久磁石１３が安定静止
している状態で、電源がONになると、位置検出
素子１８には回転子永久磁石１３のＮ極の磁界が
作用して、巻線導体８には図示の方向に電流が流
れるとすると回転子永久磁石１３には、矢印の方
向の回転力が、フレミングの左手法則により発生
し、第７−２図，第７−３図，第７−４図に図示
の如く回転子永久磁石１３は回転する。

第７−４図では、位置検出素子１８には回転子
永久磁石１３の磁界が作用しないので、巻線導体
８に電流が流れず、フレミング左手の法則による
回転力は発生しない。しかし回転永久磁石１３か
ら固定子鉄心７を通る磁束は固定子鉄心７の内径
面に設けた凹部１９が存在するためパーミアンス
の勾配が回転方向と同じ方向に回転力を発生する
ので、第７−５図の状態迄、回転子永久磁石１３
は回転する。第７−５図の状態では、回転子永久
磁石１３のＳ極の作用により位置検出素子１８が
動作し、巻線導体８に方向の反転した図示の如き
電流が流れるので、前述と同じ方向の回転力を発
生し、続いて第７−６図，第７−７図、第７−８
図にそれぞれ図示の状態から第７−１図の状態へ
と回転を持続する。

回転子の角度に応じて第８図に図示のトルクを
発生し回転を持続する。図中、２０−１Ａは既に
説明したように第１０図のＡ状態におけるパーミ
アンス勾配によるトルク、Paは巻線通電時、ａ
相におけるトルク発生状態、２０−２Ａは前両者
の合成トルクを示す。即ち電源OFFの時は必ず
第７−１図又は第７−５図に図示の状態で回転子
永久磁石１３は停止する。電源ONの際は、回転
子永久磁石１３の磁界は位置検出素子１８に作用
し、巻線導体８に電流が流れ、回転子永久磁石１
３に回転力が発生し起動することが出来る。

電動機フアンの特性は起動時には殆んど負荷の
無い状態であり、回転の上昇に伴い負荷が増加す
るものである。本発明の電動機はこの様な目的に
最も適している。

前述のような本発明の電動機の動作を一層明確
にするために、添付第９図の回路図を参照して、
その動作を説明する。ホール素子Ｈ（既に説明し
た位置検出素子１８に同じ）は、直列抵抗R₅，
R₆を介して電源Ｖに接続され、その出力電圧ｖ
は回転子永久磁石の固定子巻線との相対位置を検
出し、磁界の極性を判別する信号となる。そして
C₁，C₂の波形整形回路からベース抵抗R₁，R₂，
R₃，R₄をへてトランジスタT₁，T₂，T₃，T₄を動
作させ、固定子巻線Ｌに電流Ｉを流し、回転子永
久磁石を一定方向に回転させる。

又本発明によれば、構造が簡単で小型、軽量、
高効率であり、円滑な継続回転可能な直流整流子
無し電動機フアンを、安価に提供できる。

尚本発明の実施例では、回転子を固定子の内側
に構成した２極構造を示したものであるが、回転
子を固定子の外側に配置した構成にすることも出
来るし、又固定子と回転子の空隙は、本実施例で
は、軸と同一方向にとつた場合を示しているが、
この空隙を軸と直角方向にとつた構成も可能であ
り、それぞれ本発明の特性を生かすことが出来る
ことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に実施された基本的構造を図示
する直流整流子なしの電動機フアンの断面図であ
る。第２図は横断面図。第３図は従来例のａ，
b2相の巻線を具えた場合の回転子の回転を示す
断面図。第４図は第３図の回転の場合に回転トル
クの発生を示す状態図。第５−１図，第５−２
図，第５−３図，第５−４図はそれぞれ第３図の
ａ相のみの巻線を有する場合、回転子の回転状態
を示す断面図。第６図は第５−１図乃至第５−４
図における回転トルク発生を示す状態図。第７−
１図，第７−２図，第７−３図，第７−４図，第
７−５図，第７−６図，第７−７図，第７−８図
はそれぞれ本発明の実施例における回転子の回転
状態を示す断面図。第８図は第７−１図乃至第７
−８図における回転トルク発生を示す状態図。第
９図は本発明に係る電動機の回路図である。第１
０図は位置検出素子と回転子永久磁石の磁極との
相対位置がそれぞれ異なる場合に発生するトルク
の変化を図示する状態図。 １はベンチユリー、２は固定翼、３は保持筒、
４は回転軸、５はプロペラ、６はケース、７は固
定子鉄心、８は巻線、９，１０はブラケツト、１
１，１２は軸受、１３は回転子永久磁石、１８は
位置検出素子、１９は凹部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 整流子なしの直流可変速電動機の電動機保持
   筒内に設けた内側に巻線用溝や巻線極を有しない
   固定子鉄心を設け、前記鉄心と回転子の永久磁石
   との空隙に巻線導体が存在するように分布巻した
   固定子巻線を配設せしめ、別に転流用電子回路を
   設け、回転子永久磁石の固定子巻線との相対位置
   を検出して磁界の極性を判別し、電子回路から固
   定子巻線に流れる電流を転流するように分布巻き
   した導体の円弧角のほぼ中心に位置検出素子を設
   置し、巻線導体に電流が流れていないとき、前記
   位置検出素子より電気角約40゜乃至50゜離れた位
   置に回転子磁極が静止することを最適とするよう
   に、固定子鉄心の内径面の所定位置に凹部を設
   け、前記位置検出素子の回転子磁極の極性判別を
   利用し、固定子巻線にたえず決められた一定方向
   のトルクを発生するように電子回路より電流を流
   すことを特徴とする単相巻線の電動機を具えたフ
   アン。