JPWO2008093393A1

JPWO2008093393A1 - 電動機、電動送風機並びに電気掃除機

Info

Publication number: JPWO2008093393A1
Application number: JP2007529686A
Authority: JP
Inventors: 裕司高橋; 武彦安島
Original assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Home Appliance Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2010-05-20
Also published as: WO2008093393A1; CN101379681A; KR20080077041A; KR100965986B1

Abstract

モータ効率とブラシ磨耗寿命の双方を効果的に満足させるブラシ損改善策を備えた電動機、電動送風機並びに電気掃除機を提供することを目的とする。固定子８と電機子３とを積層鉄心で構成し、固定子８に巻かれた固定子巻線９と電機子３に巻かれた電機子巻線４とを有し、固定子巻線９と電機子巻線４とをブラシ１１と整流子５との機械的な摺動接触を介して電気的に直列に接続した電動機において、ブラシ１１を金属材料で構成し、整流子５のブラシ１１との摺動面５１ａをカーボン材料にて構成した電動機。

Description

本発明は、ブラシ付き電動機、ブラシ付き電動機を備えた電動送風機、並びにその電動送風機を搭載した電動掃除機に関する。

電気掃除機は、電動送風機を作動させることにより、ファンを回転させて塵埃を含んだ空気を吸込口から吸引し、その吸引した空気を整流翼を介してモータ内に導き、排出口より排気する構成となっている。これにより、モータの前に配置された集塵用袋内部に塵埃を含んだ空気を導き、塵埃を捕獲する構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

上記電動送風機のファンを駆動するモータの電源は単相交流であり、直巻特性を有する単相交流にて整流子を備えたモータを用いる。この場合、印加電圧を直入れして運転する方式と、トライアック等スイッチング素子による位相制御にて電圧可変を行い、回転速度を制御する方法がある。

いずれの方法においても、従来のモータ消費電力は、略1000〜1500Ｗで、風量が略1.0（ｍ³/ｍｉｎ）の領域での電動送風機の回転速度は、30000〜50000ｒ/ｍｉｎ前後に設定されており、モータ部効率で70％、ブロワー部と組み合わせた電動送風機総合効率も55％程度に留まっている。

吸込仕事率の向上に関してモータに掛かる比重は大きい。現在、電気掃除機に一般的に搭載されているモータは単相交流整流子構造であり、そのモータの効率改善を達成するには次のような対策が考えられる。
・電機子及び固定子のコア材料やそれら形状を見直す事での鉄損改善、
・電機子巻線及び固定子巻線の太線化及び導体長の短縮化を行う事での銅損改善、
・ブラシ（整流ブラシ）の摺動抵抗及び軸受回転抵抗を低減する事での機械損改善、
・ブラシの材質の電気抵抗改善、
・ブロワー部を構成する整流翼、回転ファンの送風損失を低減する事での圧損改善等。

近年、電気掃除機製造各社は、吸込仕事率を向上する為に、モータ総合効率を毎年少しずつ改善してきており、モータ外径φ140ｍｍ×取り付け寸法90ｍｍの中で、以下のような改善を行っている。
高効率電磁鋼板の導入、板厚0.2〜0.35ｍｍ等の薄板導入、コア設計最適化等による鉄損改善。電機子の巻線径φ0.6ｍｍ以上、固定子の巻線径φ1.3ｍｍ以上の巻線径太線化等による銅損改善。ファン、整流翼の最適設計、ファンカシメ部からの漏れ損失低減を目的とした塗装処理、ファンとファンガイド間クリアランスからの漏れ損失低減を目的としたシール構造等によるブロワー部圧損低減。

上述したように、ブラシに関連する損出には、電気損と機械損がある。電気掃除機に搭載している従来のモータのカーボンブラシは、材質に樹脂結合黒鉛質を採用し、高速回転における整流特性及び座乗性に優れた特性を有している。電気抵抗率も使用電圧により異なるが、2.0E-04〜16.0E-04［Ω・ｍ］の範囲にある。電気掃除機に搭載している電動送風機の消費電力は、1000〜1500Ｗの高入力仕様であり、回転速度も30000ｒ/ｍｉｎを超える領域で使用しているため、低抵抗材料は高効率化には優位であるが、磨耗寿命には不適である。一方、高抵抗材料は、高効率化は不利であるが、磨耗寿命には優位である。ブラシの材質は、製品仕様の特性により、モータ効率とブラシの磨耗寿命の最適範囲にて設定される。
カーボンブラシの整流子との摺動面を除く表面に、銅メッキなどを施す事によりブラシ電気損の低減を図ったものもあったが、改善効果は0.5％程度と大きな改善は得られていなかった（例えば、特許文献１）。
特許第３２５７３５５号公報

また、整流子とブラシとによる機械的な摺動によるスイッチングを利用したモータは、そのスイッチング作用である整流現象がある為に、ブラシで短絡されている整流中の巻線には、リアクタンス電圧及び変圧器作用で起電力も発生し、整流子片がブラシから離れる瞬間に両者間の電圧が火花電圧を越えていると火花が発生する。この為、ブラシから発生する火花が大きいとブラシの磨耗が増大し、ブラシ寿命が短くなる問題がある。現在は、仕様6ｍｍ×9ｍｍの長さ20ｍｍで、ブラシ磨耗寿命として500〜600時間を確保している。しかし、前述したように吸込仕事率向上を目的に、高入力、高回転速度化が求められる中で、要求寿命を確保する為に、ブラシ外形も大形化が進み、最大で6.5ｍｍ×10ｍｍ、長さも最大で35ｍｍを越える仕様も出て来ている。ブラシを大形化する事でブラシ磨耗寿命を改善する事は可能であるが、効率改善に対しては悪化傾向にある。
このように、従来は、電気掃除機に搭載される電動送風機に関して、モータ効率とブラシ磨耗寿命の双方を満足させる効果的なブラシ損改善策が見いだせていなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、モータ効率とブラシ磨耗寿命の双方を効果的に満足させるブラシ損改善策を備えた電動機、電動送風機並びに電気掃除機を提供することを目的とする。

本発明の電動機は、固定子と電機子とを積層鉄心で構成し、前記固定子に巻かれた固定子巻線と前記電機子に巻かれた電機子巻線とを有し、前記固定子巻線と前記電機子巻線間とをブラシと整流子との機械的な摺動接触を介して電気的に直列に接続した電動機において、前記ブラシを金属材料で構成し、前記整流子の前記ブラシとの摺動接触面をカーボン材料にて構成したものである。

本発明の電動機によれば、ブラシを金属材料で構成し、整流子のブラシとの摺動接触面をカーボン材料にて構成したことで、ブラシの摺動面積を小さくしつつ、ブラシの電気抵抗を低減することが可能になる。その結果、ブラシの電気抵抗に起因する電気損、及びブラシの摺動抵抗に起因する機械損の両方を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る電動送風機の内部を表す側面図。ブラシ１１を回転軸７の軸方向から見た平面図。押圧機構で支持されたブラシ１１の側面を示す側面図。ブラシ１１と押圧機構１２を保持したブラシホルダ１０を示す図。整流子５を回転軸７の軸方向から見た平面図。図５の整流子５をＸ−Ｘ方向から見た側断面図。従来仕様の電動送風機と本発明仕様の電動送風機の仕様変更点をまとめた表を示す図。従来仕様と本発明仕様とのモータ部損失を比較した表を示す図。従来仕様と本発明仕様とのモータ効率を比較した表を示す図。本発明の実施の形態２に係る電気掃除機の外観図。本発明の実施の形態２に係る電気掃除機の内部を示す構造図。

符号の説明

１電動送風機、１Ａ電動送風機の電動機部、１Ｂ電動送風機の送風機部、２電動機、３電機子、４電機子巻線、５整流子、５１摺動板、５１ａ整流子の摺動面、５２整流子片、５３絶縁保持体、６軸受、７回転軸、８固定子、９固定子巻線、１０ブラシホルダ、１１ブラシ、１２押圧機構、１３整流翼、１４遠心ファン、１５ファンガイド、２０電気掃除機、２１電気掃除機の下ケース、２２電気掃除機の上ケース、２３電気掃除機の吸込口、２４ホース、２５電気掃除機の集塵室、２６電気掃除機の集塵袋、２７電動送風機室、２８排気口。

発明の実施の形態

実施の形態１．
ここでは、本発明の実施の形態に係る電動機（モータ）、及びその電動機を利用した電動送風機について説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係る電動送風機の内部を表す側面図である。この電動送風機１は、回転駆動源としての電動機２が配置された電動機部（モータ部）１Ａと、送風機構を有した送風機部（ブロワー部）１Ｂとを備える。

電動機部１Ａを構成する電動機は、固定子８と電機子３とを有し、さらに、固定子８に巻かれた固定子巻線９と電機子３に巻かれた電機子巻線４とを有する。固定子巻線９と電機子巻線間４とは、ブラシ（刷子）１１と整流子５との機械的な摺動接触を介して電気的に直列に接続されている。また、電機子３と一体の回転軸７が軸受６により支持されている。
送風機部１Ｂは、回転軸７の端部に設けられた整流翼１３、遠心ファン1４、そして整流翼１３と遠心ファン１４を覆うファンガイド１５を備える。

図２はブラシ１１を回転軸７の軸方向から見た平面図、図３は押圧機構で支持されたブラシ１１の側面を示す側面図である。ブラシ１１は、回転軸７の軸方向から見た外周形状が外径側から内径側へ向かって幅が狭くなる略台形形状となっている。ブラシ１１の背面には、ブラシ１１を回転軸７の軸方向に沿って整流子５側に押付けるバネなどからなる押圧機構１２を備える。ブラシ１１と押圧機構１２は、ブラシホルダ１０により保持されている。図４はブラシ１１と押圧機構１２を保持したブラシホルダ１０を示す図である。
ブラシ１１は導電性の良い金属材料、例えば金、銀、白金、銅または黄銅などの金属で構成して、電気抵抗の低減と、ブラシ１１との摺動接触面積の低減とを図っている。
なお、ブラシ１１の金属材料には、カーボン材料が含有されていてもよいが、その場合には、できるだけ導電性の良い金属材料を多く含ませるのが好ましい。

図５は整流子５を回転軸７の軸方向から見た平面図、図６は図５の整流子５をＸ−Ｘ方向から見た側断面図である。整流子５は、電機子３の一端に設置されて、電機子巻線４と電気的に接続されている。
整流子５は、ブラシ１１と摺動接触する摺動板５１と、電機子３の回転軸７を中心にして放射状で、かつ、円盤状に配置され、電機子巻線４に電気的に接続された整流子片５２とが、モールド成形された絶縁保持体５３により、通電可能に接合固定されている。
摺動板５１は、導電性材料で構成されており、ブラシ１１との摺動面（摺動接触面）５１ａとなる部分は、回転軸７と略直角を成すように配置されている。また、ブラシ１１との摺動面５１ａとなる部分は、電気黒鉛質などのカーボン材料からなり、複数のセグメントに分割されている。なお、摺動板５１は、ブラシ１１との摺動面５１ａだけでなく、その全体をカーボン材料により構成しても良い。
整流子片５２もまた、導電性材料で構成されており、例えば銅あるいはカーボン材料などから構成することができる。

図７は、従来の電動送風機と、本発明に係る実施形態１の電動送風機の仕様変更点を表にまとめたものである。図７によれば、ブラシ１１の材質を、電気黒鉛質または樹脂結合黒鉛質（従来仕様）から、金属（本発明仕様：この例では黄銅）にすることで、電気抵抗の低減とともに、ブラシ１１の摺動断面積の低減（約１／３の低減）が可能となることがわかる。これは、ブラシ１１を金属で構成することにより、電気抵抗を低減しつつ、電気的磨耗に対してより強固となるからである。
また、整流子５のブラシ１１との摺動面５１ａをカーボン材料で構成したことで、ブラシ１１の機械的磨耗性能を従来と同等に維持しながら、ブラシ１１の摺動断面積を、略１／３まで低減させることができた。
さらに、ブラシ１１の摺動断面積を略１／３低減することで、ブラシ１１と摺動接触する整流子５の摺動面面積を小さく、つまり、整流子５の径を小さくでき、これにより周速を改善する事も可能となった。

図８は、図７に示した従来仕様と本発明仕様とのモータ部損失を比較した表である。
ブラシ１１の電気損は、従来の電気黒鉛質または樹脂結合黒鉛質では44Ｗであったのに対して、本発明では、黄銅製の金属ブラシに変更したことで、23.4Ｗまで低減できた。
また、ブラシ１１の機械損は、ブラシ１１の摺動断面積を1.1cm²から0.4cm²に縮小する事で、71Ｗから32.6Ｗまで低減できた。
したがって、トータルでは、ブラシ１１を金属材料で小形に構成し、整流子５の摺動面５１ａをカーボン材料にて構成することにより、モータ部の損失が従来構造と比べて、56Ｗ程改善できた。

これをモータ効率の観点から見ると、図９に示すとおり、従来仕様から本発明仕様に変更したことで、モータ効率が70％から76％に改善された。また、電動送風機の送風機部効率が現行78.6％を有している為、電動送風機の総合効率（＝モータ効率×送風機部効率÷１００）についてみれば、59.7％までの改善が可能となった。

実施の形態２．
電気掃除機に内蔵される電動送風機は、電気掃除機本体内の空間の多くを使用するため、小形化が望まれており、しかも、より強い吸込力を発揮できるよう、吸込仕事率を向上させた電動送風機が望まれている。
そのような要求に応えるため、ここでは、実施の形態１で説明した電動送風機を、掃除機に搭載した電気掃除機を提案する。

図１０は本発明の実施の形態２に係る電気掃除機の外観図、図１１は本発明の実施の形態２に係る電気掃除機の内部を示す内部構造図である。
図１０、図１１に示すように、電気掃除機２０は、下ケース２１と上ケース２２、これらのケース２１，２２の前面に設けられた吸込口２３、吸込口２３に取り付けられたホース２４、吸込口２３に連通する集塵室２５、集塵室２５に配置された集塵袋２６を備える。さらに、集塵室２５の後部には、ホース２４を介して空気を吸引し、排気口２８から空気を排出する作用を果たす実施の形態１で説明した電動送風機２７を備えている。

既に説明したように、ブラシを金属材料で構成し、整流子のブラシとの摺動面をカーボン材料にて構成したモータを利用した電動送風機は、ブラシの電気抵抗に起因する電気損、及びブラシの摺動抵抗に起因する機械損の両方を低減することができる。そのため、実施の形態１の電動送風機を電気掃除機に搭載すると、従来の電動送風機と比較して、電気掃除機としての仕事率が高くなり、小型でしかも高吸引性能を持つ電気掃除機を得ることが可能となる。

Claims

固定子と電機子とを積層鉄心で構成し、前記固定子に巻かれた固定子巻線と前記電機子に巻かれた電機子巻線とを有し、前記固定子巻線と前記電機子巻線間とをブラシと整流子との機械的な摺動接触を介して電気的に直列に接続した電動機において、
前記ブラシを金属材料で構成し、前記整流子の前記ブラシとの摺動接触面をカーボン材料にて構成したことを特徴とする電動機。
前記ブラシを構成する金属材料がカーボン材料を含むことを特徴とする請求項１記載の電動機。
前記ブラシは、前記電動機の回転軸方向から見た外周形状が、外径側から内径側へ向かって幅が狭くなる略台形形状であり、
前記ブラシを前記整流子側に押圧して保持するブラシ保持器を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の電動機。
前記整流子は、
前記電機子の一端に設置されており、
前記ブラシとの摺動接触面が、複数の分割セグメントに構成されて、回転軸と略直角を成すように配置された摺動板と、
前記回転軸を中心にして放射状で、かつ、円盤状に配置され、上記電機子巻線に接続された整流子片と、
前記摺動板と前記整流子片とを通電可能に保持する絶縁保持体とを、備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動機。
請求項１〜４のいずれかに記載の電動機と、
前記電動機の回転軸に設けられた整流翼及び遠心ファンと、
とを備えたことを特徴とする電動送風機。
請求項５記載の電動送風機を搭載したことを特徴とする電気掃除機。