JPS63249453A - 交流整流子電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は無補極の単相交流整流子電動機に係り、特に電
気掃除機や電動工具用電動機に好適な交流整流子電動機
に関する。

〔従来の技術〕

従来、整流子電動機の整流改善策として、特公昭３６−
２３０６０号に記載のように、電機子の同一スロット内
において、回転方向に対して前位のコイルの巻回数を後
位のコイルの巻回数より大きく設定してリアクタンス電
圧を低減し、整流火花を小さくしてブラシ寿命を向上す
る方法が提案されている。しかし、この従来技術のよう
に、単に前位のコイルの巻回数を後位のコイルの巻回数
より大きくするだけではブラシ寿命を向上することは不
可能で、前位のコイルの巻回数と後位コイルの巻回数と
の比が一定の範囲を外れると逆に同一巻回数の場合より
もブラシ寿命が低下してしまう、このため、特公昭６１
−１４７４４号に記載のように、ブラシの比抵抗を２Ｘ
１０’μΩ、＋ｍ以下にして電動機効率を向上する場合
、前位のコイルの巻回数Ｎ１と後位のコイルの巻回数Ｎ
２との比（Ｎｉ／Ｎｚ）に最適値があり、その比を１．
６〜２．８にすると電動機効率及びブラシ寿命を向上で
きることが述べられている。

しかしながら、上述した方法は交流整流子電動機の総て
に適用できず、かつ、変圧器起電力に対する整流性能へ
の影響が考慮されておらず、ブラシ寿命及び電動機効率
を向上できないということが実験等により明らかとなっ
た。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は電動機の最大入力５００Ｗ以上で、かつ
、最大入力時の電動機回転数を２３０００ｒｐｎ＋以上
に設定した場合、ブラシの比抵抗１００００（μΩ−■
）以下ではブラシからの火花が大きくなるためにブラシ
寿命が短かくなり、実用に供し難いことが明らかとなっ
た。このため本発明の目的は、高効率化及びブラシ寿命
の観点から従来技術の欠点を解消し、従来よりパワーア
ップしたり、高連化を図った交流整流子電動機でも十分
なブラシ寿命と効率が得られるように電機子スロット内
の前位のコイルの巻回数と後位のコイルの巻回数の比及
び適用ブラシの比抵抗を最適値に設定することにより高
効率で、かつ、ブラシ寿命の長い交流整流子電動機を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的はブラシ材の比抵抗を２．ＯＸ　１０’（μΩ
−ａｎ）　〜８．ＯＸ　１０’　（／ＡΩ−ｃ！Ｉ＋）
の範囲内で選定すると同一スロット内の前位のコイルの
巻回数と後位のコイルの巻回数の比を１．６〜３．２の
最適値に設定することにより達成される。

〔作用〕

交流整流子電動機は電流が交流のために、′電機子巻線
が整流作用を受ける間、リアクタンス電圧によるものと
、変圧器起電力による火花が発生する。前者は電流の最
大値の時に大きく、後行は電流が変化している時に大き
くなる。ここで、いずれの電圧もコイルの巻回数の比の
適正化と適用ブラシの比抵抗の適正化を図ることにより
、各整流子片に接続されているコイルの整流性能を等し
くすることができ、それによって、ブラシ火花の最少化
と高効率化を図り、ブラシ寿命を向上することができる
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１〜５図により説明する。

第２図は本発明が適用される無補極の電気掃除機用交流
整流子電動機の構造例を示す。ハウジング１２内には両
端を軸受１４Ａ、１４Ｂで支承されたシャフト１６が配
置されている。該シャフト１６には円周上に複数個のス
ロット１８が形成された電機子鉄心２０が固定され、該
鉄心には各スロット内に巻回された複数個のコイル２２
（第１図参照）で構成された電機子巻線２４が巻装され
ている。シャフト１６の一端には円周方向に配列された
複数個の整流子片２６Ａ、２６Ｂ・・・・・・からなる
整流子２６が固定されている。整流子２６の外周面には
ハウジング１２に支承されているブラシ保持器３１内に
設けた弾性体２９により押圧されたブラシ２８が接触し
ている。ハウジング１２には、ｒＪｉ機子鉄心２０の外
周に対応した位置に、固定子鉄心３０が固定され、該固
定子鉄心３０には界磁巻ｌＩ＆３２が巻回されている。

電動機への給電は界磁巻ｍ３２→ブラシ２８→整流子２
６→電機子巻線２４を通して行われる。

第１図は本発明が適用される電機子の展開図で、２極機
（全節巻の例）でスロット当りに上、下層のそれぞれの
コイル辺数が２の場合を示し、電機子コイル２２Ａ、２
２Ｂ・・・・・・の各スロット１８内への巻装状態を示
している。図において、コイル辺２２Ａは、コイル始端
を整流子片２６Ａに接続され、スロット１８Ｂとスロッ
ト１８Ａに挿入され、コイル終端が整流子片２６Ｂに接
続される。

同一のスロット１８Ｂとスロット１８Ａに挿入される他
のコイル２２Ｂは、コイル辺始端を整流子片２６Ｂ、コ
イル終端を整流子片２６ｃに接続される。同様にコイル
２２Ｃ，コイル２２Ｄはスロット１８ｃとスロット１８
Ｂに挿入され、コイル始終端を整流子２６に接続してい
るに こで、電機子の回転方向を矢印のＸ方向とするとブラシ
２８Ａとブラシ２８Ｂの位置は、コイル辺２２Ａとコイ
ル２２Ｃの整流が終了する時点を示し、電機子が１整流
子片の間隔Ｔｃだけ回転した場合であるブラシ２８　Ａ
　’ｒ　＋　　ブラシ２８Ｂ１の位置は、コイル２２Ｂ
とコイル２２Ｄの整流が終了する時点を示したものであ
り、すなわち、同一スロット中にあるコイル２２Ａとコ
イル辺２２Ｂでは、コイル辺２２Ａの方が先に整流を終
えるので前位のコイルとなり、コイル２２Ｂは後から整
流を終えるので後位のコイルとなる。

本発明は、同一スロット内に巻装置される前位のコイル
の巻回数Ｎ１と後位のコイルの巻回数Ｎ２との比である
Ｎ１／Ｈ２の値と適用するブラシ２８の比抵抗の値に対
して最適範囲を見出し、ブラシの長寿命化と電動機効率
の向上を図れる特定の範囲を限定したものである。

まず、第３図でリアクタンス電圧と変圧器起電力を説明
する。

交流整流予電ｔｊＪ機は交流電流が流れるために整流火
花の発生する要因として２つある。１つは直流機と同様
に第３図（ハ）に示すように整流コイルがブラシ下を通
過する間に、整流コイル中の電流方向が反転する時に整
流コイルの持つインダクタンスＬで次式で示すリアクタ
ンス電圧が発生し。

電流変化を遅らす作用をなすために整流子片２６Ａがブ
ラシ２８Ａから離れる時にブラシの端面がら火花を発生
させる。

ｅ　ｒ−＝　Ｌ　（ｄ　ｘ　／　ｄ　ｔ　）　　　　　
　　　”’（１）なお、リアクタンス電圧ｅｒの影響に
よる火花は第３図（イ）、第３図（ロ）に示すように電
機子電流の大きい時に発生する。また、（１）式のイン
ダクタンスＬは同一スロット中の各コイルで異なる。す
なわち、第１図で示したよう前位のコイルであるコイル
２２Ａの整流終了時はコイル２２Ｂがブラシ２８Ａで短
絡されているので相互誘導作用により、コイル２２Ａの
インダクタンスが小さくなる。逆に後位めコイルである
コイル２２Ｂの整流終了時は同一スロット内にブラシで
短絡されたコイルが存在しないのでインダクタンスが大
きくなる。このため、前位のコイルの巻回数を多くし、
後位のコイルの巻回数を少くして、各コイルのりアクタ
ンス電圧を等しくしようとするのが従来からの考え方で
ある。しかし、両コイルの巻回数の比を単に大きくした
のでは、変圧器起電力に対しては不利となる。変圧器起
電力は第２図に示すように界磁巻線３２を交流電流で励
磁すると主磁束も交番し、例えば、第３図（ニ）に示ず
Ｏ印の方向に主磁束が変化しようとするとブラシで短絡
されている整流中のコイル内に変圧器作用により短絡電
流ｉ、が流れ、この電流が流れている状態で整流子片２
６Ａがブラシ２８Ａから雛れる時にブラシ２８を介して
電流ｉ、が流れているために火花を発生する。なお、変
圧器起電力ｅｔは次式で示される。

ｅ　ｔ　＝　ｋ　’　ｆ−Ｎ　・φｍ　　　　　　　　
　　−（２）ここで、ｋは係数、ｆは励磁電流の周波数
、φｍはブラシで短絡された整流コイルを通過する主磁
束量及びＮはそれぞれの整流コイルの巻回数である。

（２）式より、変圧器起電力の大きさは整流コイルの巻
回数が大きい方が大きくなる。したがって、リアクタン
ス電圧のみに着目して前位のコイルの巻回数を大きくす
ると、逆に変圧器起電力が大きくなり、逆に火花が大き
くなることになる。

第４図は前位のコイルと後位のコイルの巻回数比（Ｎ　
１／　Ｎ　Ｚ）に対する前位及び後位のコイルに誘起す
るりアクタンス電圧と変圧器起電力の関係を示す。第４
図（イ）のりアクタンス電圧をみると巻回数比を増すに
つれて後位のコイルのリアクタンス電圧が減少し、リア
クタンス電圧の大きさを火花の大きさから許容される最
大リアクタンス電圧８、を設定することができ１本発明
では巻回数比の最小値は１．６　が良いことがわかった
。次に第４図（ロ）の変圧器起電力との関係をみると巻
回数比を大きくすると前位のコイルの巻回数が大きくな
るので、（２）式より巻回数に比例して変圧器起電力が
増大する結果となる。このため、変圧器起電力による火
花の大きさを許容火花内に抑えようとすると巻回数比の
最大は、３．２　であることがわかった。

このように、前位のコイルと後位のコイルの巻回数の比
にはりアクタンス電圧による火花と変圧器起電力による
火花とから、適正な値としてＮｌ／Ｎ２が１．６〜３．
２であることがわかった。

第５図（イ）および第５図（ロ）は巻回数比を最少１．
６　と最大３．２　に設定した時のブラシの比抵抗に対
するリアクタンス電圧による短絡電流ｉ、の大きさと変
圧器起電力による短絡電流Ｌｔの変化を示す。これより
、ブラシの比抵抗が２．０ｘｌＯ’（μΩ−■）以下で
はいずれの電圧に対しても短絡電流が大きく、所要の火
花範囲に入らないことがわかった。このため、ブラシ比
抵抗が大きいほど、短絡電流が減少して、発生する整流
火花が小さくなるが、損失が増加して効率が低下するの
でむやみに大きくすることはできない。

第６図は前位のコイルと後位のコイルの巻回数比Ｎ　ｓ
　／　Ｎ　Ｚを２．３　に設定した６台のモータを対象
にブラシ比抵抗の異なる材質を各々に取付けて測定した
場合の電動機効率ｎとブラシ寿命１を示す。

これより、ブラシ比抵抗が２．０Ｘ１０４（μΩ−■）
以下では整流火花が大きく、効率的には高いがブラシ寿
命が短かくなることがわかった。このためブラシ寿命か
らブラシ比抵抗は２．０Ｘ１０’（μΩ−国）以上にす
べきである。逆に、比抵抗を大きくするとブラシ火花が
小さくなりブラシ寿命が伸びるが効率が低下する。した
がって、効率の点からはブラシの比抵抗を８．０Ｘ１０
４（μΩ−ａｎ）以下が良いことがわかった。すなわち
、ブラシ比抵抗の適正範囲は２．ＯＸ　１０’〜８．Ｏ
×１０４（μΩ−の）であることが確Ｌ２できた。この
ように前位のコイルと後位のコイルの巻回数比とブラシ
比抵抗の適用する範囲の適正化を図ればブラシ寿命及び
効率も向上することができる。このため、さらに高連化
を図ることが可能になる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、単相交流整流子電動機の整流悪化要因
を明らかにし、リアクタンス電圧と変圧器起電力の許容
値から前位のコイルの巻回数Ｎ１と後位のコイルの巻回
数Ｎ２との巻回数比（Ｎｌ／Ｎ２）を最適な１．６〜３
．２に設定し、かつ１巻回数比とブラシ比抵抗とが密接
に関係しているため、最適な巻回数比１．６〜３．２に
対応する最適なブラシ比抵抗として２．ＯＸ　１０’〜
８．ＯＸ　１０’（μΩ−ｃｍ）を選定することにより
、整流性能が向上して、電動機効率及びブラシ寿命を増
加することができ、かつ、高速化が可能となる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用される交流整流子電動機の電機子
コイル及びスロットの位置関係を示す概略説明図、第２
図は整流子電動機の概略縦断面図、第３図（イ）、第３
図（ロ）、第３図（ハ）および第３図（ニ）はりアクタ
ンス電圧と変圧器起電力の概略説明図、第４図（イ）、
第４図（ロ）は巻回数比Ｎ　１　／　Ｎ　ｚに対するリ
アクタンス電圧と変圧器起電力の関係図、第５図（イ）
、第５図（ロ）はブラシ比抵抗に対するリアクタンス電
圧による短ｇｍ流及び変圧器起電力による短絡電流の関
係図、第６図はブラシ比抵抗に対するブラシ寿命及び電
動機効率の関係を示す図である。 １６・・・シャフト、１８・・・スロット、２０・・・
電機・子鉄心、２２・・・電機子コイル、２４・・・電
機子巻線。 ２６・・・整流子、２８・・・ブラシ、３ｏ・・・固定
子鉄心１．＜　（、’−３２・・・界磁巻線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電機子のスロット内に巻装された電機子巻線が複数
   個のコイル辺で構成され、同一スロット内に巻回された
   回転方向前位のコイルの巻回数を回転方向後位のコイル
   の巻回数より大きくし、かつ、該巻線にブラシを介して
   電力を供給する交流整流子電動機において、前位のコイ
   ルの巻回数Ｎ＿１と後位のコイルの巻回数Ｎ＿２との比
   を１．６〜３．２の範囲に選定し、かつ、適用ブラシ材
   の比抵抗を２．０×１０＾４〜８．０×１０＾４（μΩ
   −ｃｍ）の範囲にするようにしたことを特徴とする交流
   整流子電動機。