TW201440386A - 交流整流子電動機、及使用其之電動送風機 - Google Patents

Abstract

〔課題〕在本發明中，係在設有整流子的交流整流子電動機中，以在減低成為整流惡化原因的電樞反作用，將整流性能提升的同時，亦實現效率的提升為目的。〔解決手段〕一種交流整流子電動機，該交流整流子電動機具有：定子(1)；電樞(2)；及一對碳電刷(7)，該定子(1)係由以下構成：大致環狀的磁軛部(11)、以與該磁軛部的內側相對向的方式所形成的一對磁極部(12)、及被捲繞在該磁極部的場磁鐵線圈(14)，該電樞(2)係由以下構成：旋轉自如地被配置在前述磁極部間的軸(6)、被固定在該軸的電樞鐵心(21)、被捲繞在該電樞鐵心的外周所形成的複數齒(23)的電樞線圈(22)、及與該電樞線圈相連接的整流子(25)，該一對碳電刷(7)係藉由與前述整流子作機械接觸來作電性接觸，在各磁極部係在中央部近傍具有孔(15)，並且至少在反旋轉方向(增磁部)的磁極部亦設有孔(17)。

Description

交流整流子電動機、及使用其之電動送風機

本發明係關於交流整流子電動機，尤其係關於電動清潔器、電動工具用電動機等所使用的交流整流子電動機的定子構造。

電動清潔器及電動工具用的交流整流子電動機係主要由：環狀的定子、及被配置在與該環狀的內側相對向所形成的磁極部間的電樞所構成。在該類交流整流子電動機中，經常被要求小型、輕量、高效率化、電刷的長壽命化。其中亦以高磁通密度所被使用的電動機中，特別為了達成高效率化及電刷的長壽命化，期望減低電樞反作用。

電樞反作用係進行旋轉的電樞所發生的磁場對由定子的磁極部所發生的磁場造成影響的現象，此關於交流整流子電動機的高效率化與電刷的長壽命化，會造成不良影響。

以用以減低該電樞反作用的技術而言，已提出一種在定子鐵心的磁極部中心設置單一開縫的構造(專 利文獻1，圖1等)。此外，以減低電樞反作用的其他方法而言，已提出一種將磁極部形成為非對稱形狀，並且設置複數開縫的構造(專利文獻2，圖1等)。

另一方面，以在磁極部設置開縫的其他理由而言，已提出一種為達成定子的輕量化，利用電樞反作用，在電樞的旋轉進行方向側(磁極的減磁側)設置複數貫穿孔的構造(專利文獻3，圖4等)。

〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2005-20931號公報

〔專利文獻2〕日本特開平6-6943號公報

〔專利文獻3〕日本特開2003-153471號公報

交流整流子的轉矩係與對來自定子的場磁鐵磁通、與來自電樞的電樞磁通的和，乘以流至電樞線圈的電流、與電樞線圈的匝數所得的值成正比。在此，因電樞反作用的影響，場磁鐵磁通與電樞磁通的和時時刻刻在改變，因此轉矩亦變動而成為脈動。在專利文獻1中係在磁極部的中心設置單一的開縫而使電樞反作用減低，在專利文獻2中係將磁極部形成為非對稱的形狀，並且設置複數開縫，來使電樞反作用減低，藉此抑制轉矩的脈動。

但是，在上述習知技術中，電樞反作用雖然可減低，但是因設有開縫，磁極部的磁性飽和會變大，用以獲得所需轉矩的電流值會變大。電流值的增加係形成為銅損的增加，並未達成高效率化。此外，電流的增加係形成為整流線圈的電抗電壓的增加，在碳電刷與整流子之間發生火花，並未達成電刷的長壽命化。

或者，為了減低磁極部的磁性飽和，若加寬磁極寬幅時，場磁鐵線圈的全長變長，銅損增加，並未達成高效率。

另一方面，在專利文獻3中，為達成輕量化，設有貫穿孔。但是，孔的位置在磁通密度低的旋轉進行方向側(磁極的減磁側)，並未達成高效率化及電刷的長壽命化。

本發明之目的在提供可一面充分減低電樞反作用，一面實現轉矩及整流性能提升的交流整流子電動機。

上述課題係可藉由具有以下特徵的交流整流子電動機來解決，該交流整流子電動機具有：定子；電樞；及一對碳電刷，該定子係由以下構成：大致環狀的磁軛部、以與該磁軛部的內側相對向的方式所形成的一對磁極部、及被捲繞在該磁極部的場磁鐵線圈，該電樞係由以下構成：旋轉自如地被配置在前述磁極部間的軸、被固定 在該軸的電樞鐵心、被捲繞在該電樞鐵心的外周所形成的複數齒的電樞線圈、及與該電樞線圈相連接的整流子，該一對電刷係藉由與前述整流子作機械接觸來作電性接觸，在各磁極部係在中央部近傍具有孔，並且至少在反旋轉方向(增磁部)的磁極部亦設有孔。此外，若由前述軸的軸向觀看時，前述一對電刷係相對於前述一對磁極部，朝反旋轉方向移動。

藉由本發明，可提供由於可減低電樞反作用而增加主磁通的量，因此可提升轉矩與整流性能之交流整流子電動機。

1‧‧‧定子

2‧‧‧電樞

3‧‧‧外殼

4‧‧‧端托架

5a‧‧‧軸承

5b‧‧‧軸承

6‧‧‧軸

7‧‧‧碳電刷

8‧‧‧電刷保持具

11‧‧‧磁軛部

12‧‧‧磁極部

13‧‧‧定子鐵心

14‧‧‧場磁鐵線圈

15‧‧‧孔(中央部近傍)

16‧‧‧磁性電橋(中央部近傍)

16a、16b、16c‧‧‧磁性電橋

17‧‧‧孔(旋轉的後進側)

18‧‧‧磁性電橋(旋轉的後進側)

18a、18b、18c‧‧‧磁性電橋

21‧‧‧電樞鐵心

22‧‧‧電樞線圈

23‧‧‧齒

25‧‧‧整流子

25a‧‧‧整流子片

30‧‧‧螺帽

31‧‧‧離心式風扇

32‧‧‧擴散器

33‧‧‧導流件

34‧‧‧風扇殼

35‧‧‧空氣吸引口

40‧‧‧開口部

81‧‧‧彈簧

82‧‧‧引線

100‧‧‧電動送風機

101‧‧‧電動機

102‧‧‧送風機

S、S1~S12‧‧‧電樞槽

圖1係顯示實施例1的電動清潔器用電動送風機的構造的剖面圖。

圖2係在實施例1的磁極部配置孔的定子與電樞的剖面圖。

圖3係在實施例1的磁極部配置孔的定子與電樞的1/2剖面圖。

圖4A係比較例1的磁極部形狀中的電樞反作用磁通的磁通流圖。

圖4B係比較例2的磁極部形狀中的電樞反作用磁通 的磁通流圖。

圖4C係比較例3的磁極部形狀中的電樞反作用磁通的磁通流圖。

圖4D係實施例1的磁極部形狀中的電樞反作用磁通的磁通流圖。

圖5係磁場解析模擬結果。

圖6A係在實施例2A的磁極的孔部配置開口部的定子與電樞的1/2剖面圖。

圖6B係在實施例2B的磁極的孔部配置開口部的定子與電樞的1/2剖面圖。

圖6C係在實施例2C的磁極的孔部配置開口部的定子與電樞的1/2剖面圖。

圖7係在實施例3的磁極部配置孔、在前端部配置段差的定子與電樞的1/2剖面圖。

使用圖1~圖7，說明本發明之實施例。其中，在此係將電動清潔器所使用的電動送風機作為實施例加以敘述，惟該電動送風機亦可使用在其他用途。

〔實施例1〕

圖1係實施例1之電動清潔器用的電動送風機100的構造剖面圖。電動送風機100係由電動機(交流整流子電動機)101、及送風機102所構成。

電動機101係由以下所構成：被固定在外殼3的內側的定子1、外殼3的軸承5a、端托架4的軸承5b、旋轉自如地被保持在兩軸承間的軸6、被固定在軸6的電樞鐵心21及整流子25、被捲繞在電樞鐵心21的電樞槽S中的電樞線圈22被連接在整流子25的電樞2、以及藉由與整流子25作機械接觸來進行電性連接的碳電刷7、及保持碳電刷7並且用以固定在外殼3的電刷保持具8。

此外，整流子25係具有複數整流子片25a，各整流子片25a係與電樞2內的電樞線圈22相連接。碳電刷7係藉由彈簧81而被按壓在整流子25而與整流子25滑接。82係用以將碳電刷7與外部電極相連接的引線，與被設在電刷保持具8的端子(未圖示)相連接。

另一方面，送風機102係藉由以下所構成：藉由螺帽30而被固定在軸6的一端的離心式風扇31、降低由離心式風扇31所流出的空氣流的速度而將壓力回復的擴散器32、與擴散器32一體成形之將空氣流導引至電動機101內的導流件33、及覆蓋離心式風扇31與擴散器32的風扇殼34。

若將電動送風機100運轉時，電樞2即旋轉，與電樞2同軸被固定的離心式風扇31亦作旋轉。若離心式風扇31旋轉，空氣由風扇殼34的空氣吸引口35流入，通過離心式風扇31、擴散器32、導流件33而流入至電動機101內部。所流入的空氣係一面將電動機101冷 卻一面被排出。

圖2係顯示定子1與電樞2的構造剖面圖。定子1係由以下所構成：將由大致圓環狀的磁軛部11、及以與其內周側相對向的方式所形成的一對磁極部12所成之定子鐵心13進行積層者(定子鐵心積層體)；及被捲繞在磁極部12的場磁鐵線圈14。此外，被配置在相對向的一對磁極部12之間的電樞2係由：具有複數T字型齒23的電樞鐵心21、及被捲裝在藉由齒23所形成的電樞槽S1~S12的電樞線圈22所構成。其中，在本實施例中係說明齒23的個數設為12個之例，惟齒23的個數並非侷限於此。

此外，如圖2所示，在各磁極部12的中央部近傍形成孔15。在孔15的內周側、中央部、外周側分別殘留薄壁的磁極部12，將各自的薄壁部的磁極部稱為磁性電橋16a、16b、16c。所形成的磁性電橋的厚度係形成為當在定子鐵心13的積層體，將場磁鐵線圈14進行捲繞工程、及在外殼3壓入定子1時，磁性電橋16不會變形的厚度。磁性電橋16的厚度若比孔15的徑向的長度更為薄壁即可，在此以一例而言，將磁性電橋16的厚度設為0.5mm。此係基於藉由將磁性電橋16的厚度設定為較薄，磁路寬幅變窄，變得容易磁性飽和，因此遮斷電樞反作用之故。

此外，在磁極部12的旋轉的後進側(增磁側)形成孔17。將孔17的內周側的磁極部12的薄壁部 稱為磁性電橋18a，將孔17之間的薄壁部稱為磁性電橋18b、18c。磁性電橋18a的厚度若為比孔17的徑向的長度更為薄壁即可，磁性電橋18b、18c的厚度若為比孔17的周方向的長度更為薄壁即可，在此以一例而言，將磁性電橋18a的厚度設為0.75mm，將磁性電橋18b及磁性電橋18c的厚度設為0.5mm。此係基於藉由將磁性電橋18的厚度設定為較薄，來控制磁極部12的旋轉的後進側(增磁側)的磁通流之故。

圖3係圖2的主要部位剖面圖。在由電樞2的中心朝上下左右拉長的軸之中，將右側的軸定義為0°，將其他軸朝旋轉方向依序定義為90°、180°。齒23的個數為12個，因此各槽距成為30°。此時，以將由孔15的外周側的旋轉中心所成角度設為30°以下為佳，孔15的內周側的角度係以形成為槽距的一半亦即15°以下為佳。在此係將由孔15的旋轉中心所成角度設定為外周側20°、內周側10°。

此外，在磁極部12的旋轉後進側設有孔17。孔17的位置較佳為成形在由90°軸朝反旋轉方向偏移槽距亦即30°左右的附近。在此係成形在由基準軸為60°、63°、66°的位置。

其中，在此係顯示槽距為30°、孔15的外周側的角度為20°、內周側的角度為10°、將孔17的位置形成為由基準軸為60°、63°、66°之例，若滿足下列要件1~3，即可得相同效果。

(要件1)孔15的外周側的角度小於槽距，孔15的內周側的角度小於槽距的一半。

(要件2)孔17位於由90°軸朝反旋轉方向偏移槽距的角度左右的位置。具體而言，由90°軸朝反旋轉方向，在槽距±槽口開度的範圍內設置孔17，例如在圖3中，在由90°軸位於30°±7°反旋轉方向的23°~37°的位置設置孔17。

(要件3)形成為由齒23觀看，伴隨旋轉由〔90°軸-槽距的角度〕至90°的範圍(在本實施例中為60~90°)，磁性電橋的個數逐漸增加的構造(例如，在圖3中，在90℃軸-1齒份的角度的位置，在齒23的延長線上僅存在磁性電橋16c，若齒23旋轉時，電橋16a、電橋16b逐漸增加)。

圖4係將電流流至電樞線圈22時的磁通流。圖4A係無孔15及孔17，將碳電刷7放置在幾何學中性軸的比較例1的情形。此時，已知電樞反作用磁通僅通過磁極部12。電樞反作用磁通係在磁極部12與場磁鐵磁通(僅圖示一部分)合成，因此旋轉進行方向的磁極部12成為減磁、反旋轉方向的磁極部12成為增磁。在該條件下，在碳電刷7與整流子25之間發生電刷火花，電刷壽命變短。

圖4B為比較例2，以比較例1的條件，將電刷位置朝反旋轉方向移動(例如30°)，利用主磁通，來控制電刷火花的發生(亦可移動整流子25及電樞線圈 22的連接位置)。此時，由於將碳電刷7朝反旋轉方向移動，因此電樞反作用磁通不會留在磁極部12的周圍，通過磁軛部11，磁通以藉由場磁鐵線圈14所致之主磁通的相反方向流通。如在此所示，若磁通以主磁通的相反方向流通，場磁鐵磁通與電樞磁通的和變小，轉矩降低。此外，伴隨電樞的旋轉，電樞磁通周期性改變，因此發生轉矩脈動。亦即，藉由圖4B的構成，雖可抑制火花的發生，但是轉矩特性會惡化。

圖4C為比較例3，顯示以比較例2的條件，藉由設有孔15時的電樞反作用所致之磁通流。如在此所示，薄壁的磁性電橋16呈磁性飽和，藉此抑制電樞反作用磁通，但是殘留通過磁軛部11的電樞反作用。

接著，說明使用本實施例的構成的情形。圖4D係顯示使碳電刷7朝反旋轉方向移動，並且藉由設有孔15及孔17時的電樞反作用所致之磁通流。在圖4D中係顯示當由軸6的軸向觀看時，設有孔17的位置、及碳電刷7的弧的中央的位置(亦即移位量)大致相一致之例，但是兩者並不一定要相一致，若碳電刷7與孔17相同地由90°軸朝反旋轉方向移動即可。如在此所示，薄壁的磁性電橋16呈磁性飽和，藉此抑制電樞反作用磁通。此外，薄壁的磁性電橋18呈磁性飽和，電樞反作用磁通比比較例3更被抑制，通過磁軛11的電樞反作用磁通會減少。

圖5係藉由磁場解析模擬所得之定子1與電 樞2的空隙部(以下稱為空隙(gap))的磁通密度分布。為將圖4所示之模型以商用電源(50Hz-100V)驅動時的結果。每隔30°的矩形波係藉由齒23的間距所得者。一般而言，若電樞反作用減低，空隙的磁通密度分布的波形係最大值與最小值的差被減低，實效值增加。接著，若實效值增加，轉矩特性會提升，因此最大值與最小值的差愈小，轉矩特性愈為提升。

圖5(a)為比較例2的解析結果。比較例2係在磁極部12無孔15及孔17，將碳電刷7朝反旋轉方向移動。磁通密度的實效值較低，為0.548〔T〕，但是最大值與最小值的差較大，為2.04〔T〕。

圖5(b)為比較例3的解析結果。比較例3係在磁極部12具有孔15，將碳電刷7朝反旋轉方向移動。與圖5(a)相比較，該解析結果的特長係磁通密度的實效值較大，為0.549〔T〕，最大值與最小值的差較小，為2.00〔T〕。此係薄壁的磁性電橋16呈磁性飽和，來輕減電樞反作用所致。

接著，說明使用本實施例之構成的情形。圖5(c)係在磁極12成形孔15及孔17，設置磁性電橋16及磁性電橋18，另外使碳電刷7朝反旋轉方向移動時的解析結果。該解析結果的特長係磁通密度的實效值為最大，為0.555〔T〕，而且最大值與最小值的差為最小，為1.97〔T〕。此係即使薄壁的磁性電橋16呈磁性飽和，亦使殘留下來的電樞反作用的磁路，藉由設置薄壁的磁性電 橋18來呈磁性飽和而進行遮斷，因此可最為減輕電樞反作用。如先前之說明，最大值與最小值的差愈小，轉矩特性愈為提升，因此在圖5(a)~圖5(c)之中，如圖5(c)所示，可知形成為設有開縫15及電刷移位的構成時，轉矩特性為最佳。

其中，亦可形成為在孔15或孔17的內部填充非磁性體的構成。藉由使用該構成，可一面抑制上述電樞反作用，一面提高定子鐵心13的機械強度。

此外，亦可並不需要在定子鐵心積層體的全部定子鐵心13設置孔15、或孔17，而形成為使不具有孔15或孔17的定子鐵心13適當混合存在來進行積層的構成。藉由使用該構成，可提高製造時對壓力的強度、及對電動機的振動的耐力。

〔實施例2〕

圖6係顯示實施例2者。其中，關於與實施例1為同等的構成，係省略說明。

如圖6A所示，在實施例2A中，係將圖3中所示之磁性電橋16a、16b刪除，在設在磁極部12的中央近傍部的孔15的內周側設有開口部40者。藉由開口部40，磁極部12的內周面係由孔15而相連通。

同樣地，如圖6B所示，在實施例2B中，係將圖3所示之磁性電橋16b、16c刪除，在設在磁極部12的中央近傍部的孔15的外周側設有開口部40者。藉由開 口部40，磁極部12的外周面係由孔15而相連通。

此外，如圖6C所示，在實施例2C中，係將圖3所示之磁性電橋16a、16c刪除，在設在磁極部12的中央近傍部的孔15的內外周側設有開口部40者。藉由開口部40，磁極部12的內外周面係由孔15而相連通。

實施例2A~2C的任何情形均由於減少磁性電橋16的個數，磁阻變大，因此比實施例1更能遮斷磁通，可更加抑制電樞反作用。同樣地，即使在孔17的內周側或外周側設有開口部40，亦可抑制電樞反作用。

〔實施例3〕

圖7係顯示實施例3者。其中，關於與實施例1為同等的構成，係省略說明。

如圖7所示，在實施例3中，係形成為在磁極部12的前端部之與電樞2相對向的面的前端設有段差的構造。此係將磁極部12的前端形成為薄壁，藉此使磁阻增加，電樞磁通難以流至磁極部12，而抑制電樞反作用。此外，由於磁極部12的前端飽和，變成具有至磁極部的前端為止的極弧度α、及至未飽和之磁極部為止的極弧度β，控制整流時的極弧度，造成電刷的長壽命化。此外，藉由擴大與電樞2相對向的面的空隙長，抑制伴隨旋轉的齒23的T字部的磁通密度的急遽變化。

Claims (7)

1. 一種整流子電動機，其係具備有：定子；電樞；及一對電刷，該定子係由定子鐵心積層體、及場磁鐵線圈所構成，該定子鐵心積層體係將由：大致環狀的磁軛部、及以對應該磁軛部的內周側的方式所形成的一對磁極部所成之定子鐵心朝軸向進行積層，該場磁鐵線圈係被捲繞在積層有該定子鐵心積層體的磁極部；該電樞係由以下所構成：旋轉自如地被配置在前述一對磁極部間的軸；被固定在該軸的電樞鐵心；被捲繞在該電樞鐵心的外周側所形成的複數齒的電樞線圈；及與該電樞線圈相連接的整流子，該一對電刷係藉由與前述整流子作機械接觸而作電性連接，該交流整流子電動機之特徵為：在前述磁極部係在中央部近傍設有第1孔，比該第1孔更朝反旋轉方向設有第2孔，當由前述軸的軸向觀看時，前述一對電刷係相對於前述一對磁極部，朝反旋轉方向移動。
2. 如申請專利範圍第1項之整流子電動機，其中，在前述磁極部，比前述第1孔更朝旋轉方向並未設有孔， 由前述軸的軸向觀看時，比前述第1孔的徑向的長度更為薄壁的磁性電橋朝前述第1孔的內周方向或外周方向而設，並且比前述第2孔的周方向的長度更為薄壁的磁性電橋朝前述第2孔的旋轉方向或反旋轉方向而設。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之整流子電動機，其中，前述第1孔的內周側或外周側係形成有開口。
4. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之整流子電動機，其中，在前述第1孔或前述第2孔的內部具有非磁性的填充材。
5. 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之整流子電動機，其中，在前述定子鐵心積層體係包含有未具有前述第1孔、或前述第2孔的定子鐵心。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之整流子電動機，其中，在磁極部的磁極片部的電樞側的前端部設有段差部。
7. 一種電動送風機，其特徵為：由以下構成：如申請專利範圍第1項至第6項中任一項之整流子電動機；及藉由該整流子電動機所被驅動的送風機。