JP2010130832A - 整流子電動機及び送風機及び電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】半径方向加振力を低減することができ、高効率な整流子電動機を得ること。
【解決手段】この発明に係る整流子電動機１００は、軸方向の端部が開口する筒形のフレーム９と、フレーム９内に固定され、界磁巻線５と界磁鉄心１とを有する界磁４０と、界磁４０の内部に回転自在に収納される電機子５０とを備える整流子電動機１００において、界磁鉄心１は、対向して配置される一対の磁極部２ａ，２ｂと、一つの継鉄部４と、一対の磁極部２ａ，２ｂと継鉄部４とを連結する一対の連結部３ａ，３ｂと、当該界磁鉄心１の外周面の複数箇所に設けられ、フレーム９に固定される固定部１ａとを備え、磁極部２ａ、連結部３ａ、継鉄部４、連結部３ｂ、磁極部２ｂ、電機子５０の順で閉じた磁気回路を構成すると共に、電機子５０と界磁鉄心１との間の空隙１４の寸法を不均一としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に電気掃除機等に搭載される送風機に用いられる整流子電動機に関する。また、その整流子電動機を用いる整流子電動機及び電気掃除機に関する。

２分割した固定電機子鉄心の１箇所に電機子コイルを集中巻にした発電機において、鋼板を積層した電機子鉄心の外周を主磁束と鎖交しない位置で溶接して鋼板同士を一体化し、鋼板成形時に予め形成した孔に積層方向両側から互いに先端が接触しないようにハウジングの受孔に対する位置決め用のピンを圧入した発電機の電機子鉄心が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
実開昭５８−１４５０５４号公報

しかしながら、上記特許文献１の発電機の電機子鉄心は、電機子鉄心をハウジングに固定する際に、ハウジングの受孔に位置決め用のピンを挿入して位置決めし、一対のハウジングで電機子鉄心を挟んでボルトで締結固定している。ハウジングの受孔と位置決め用のピンとの間には隙間があるので、電機子鉄心の位置の精度が十分ではない。従って、回転子の回転数が高くなった場合、電機子鉄心と回転子とが最悪の場合、接触する恐れがあるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、界磁鉄心の位置の精度が向上し、界磁巻線の周長が短くなると共に界磁巻線の発熱が抑制されて、高効率かつ低価格な整流子電動機及びそれを用いた送風機を提供することを目的とする。

また、整流子電動機の重心を低くすることで操作性の良い電気掃除機を提供することを目的とする。

この発明に係る整流子電動機は、軸方向の端部が開口する筒形のフレームと、フレーム内に固定され、界磁巻線と界磁鉄心とを有する界磁と、界磁の内部に回転自在に収納される電機子とを備える整流子電動機において、
界磁鉄心は、
対向して配置される一対の磁極部と、
一つの継鉄部と、
一対の磁極部と継鉄部とを連結する一対の連結部と、
当該界磁鉄心の外周面の複数箇所に設けられ、フレームに固定される固定部とを備え、
一方の磁極部、一方の連結部、継鉄部、他方の連結部、他方の磁極部、電機子の順で閉じた磁気回路を構成すると共に、
電機子と界磁鉄心との間の空隙の寸法を不均一としたことを特徴とする。

この発明に係る整流子電動機は、界磁鉄心の外周面の複数箇所に設けられる固定部がフレームに固定されるため，界磁鉄心の位置精度が向上すると共に，電機子と界磁鉄心との間の空隙の寸法を不均一としたので、継鉄部方向への半径方向加振力を低減することができ、高効率な整流子電動機を得ることができる。

実施の形態１．
図１乃至図３は実施の形態１を示す図で、図１は整流子電動機１００の横断面図、図２は送風機２００の縦断面図、図３は変形例の整流子電動機１００の横断面図である。

図１において、整流子電動機１００は、少なくとも界磁４０と、電機子５０と、フレーム９とを備える。後述するが、整流子電動機１００は、その他に、フレーム９と共に外郭を構成するブラケット１０（図２参照）、軸受１２ａ，１２ｂ（図２参照）を有する。

界磁４０は、少なくとも界磁鉄心１と、界磁巻線５とを備える。

電機子５０は、少なくとも電機子鉄心６と、電機子巻線７と、出力軸８とを備える。

界磁鉄心１は、対向して配置され、間に電機子５０が配置される一対の磁極部２ａ，２ｂと、界磁巻線５が巻回される一つの継鉄部４と、磁極部２ａ，２ｂと継鉄部４とをつなぐ一対の連結部３ａ，３ｂとを備える。

界磁鉄心１は、全体形状が略馬蹄形である。界磁鉄心１は、電磁鋼板（例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の板厚のもの）を複数枚積層して形成されている。

略直線部を有する継鉄部４には界磁巻線５が施されており、界磁巻線５に電流を流すことで界磁磁束を生成している。

界磁鉄心１の外周部には、非磁性体であるアルミニウム製のフレーム９が設けられている。フレーム９は、略円筒形で、軸方向の一方の端部（後述する羽根１１側）が開口している（図２参照、図２では左側端部）。フレーム９は、円筒形でなくても筒形であればよい。

界磁鉄心１の外周面に四ヶ所の円弧部１ａ（固定部の一例）が設けられる。図１の例では、円弧部１ａは、磁極部２ａ，２ｂの夫々に一ヶ所、継鉄部４に二ヶ所設けられる。但し、円弧部１ａの数は、四ヶ所に限定されるものではなく、複数ヶ所にあればよい。円弧部１ａはフレーム９に固定できる形状であればよい。

界磁鉄心１は、フレーム９に、例えば圧入することで四ヶ所の円弧部１ａで支持・固定されている。界磁鉄心１をフレーム９に圧入して固定することで、電機子５０との位置決めの精度が向上する。

界磁鉄心１の外周面の円弧部１ａ同士の間は、フレーム９との間に空間１５を形成している。四ヶ所の空間１５のうち、磁極部２ａ，２ｂが形成される一ヶ所（図１では上部）を除く三ヶ所は、略平面である。

図１において、界磁鉄心１は縦軸に対しては対称形状である。界磁鉄心１は、夫々一対の磁極部２ａ，２ｂ、連結部３ａ，３ｂに対して継鉄部４が一つである略馬蹄形状であるため、横軸に対しては非対称な形状である。界磁鉄心１は、横軸に対して非対称形状であるため、界磁鉄心１の外周とフレーム９の内周との間の隙間の空間１５も横軸に対しては非対称形状である。

界磁鉄心１の内周部（磁極部２ａ、磁極部２ｂの間）には空隙１４を介して電機子５０が設けられている。磁極部２ａ（一方の磁極部）、連結部３ａ（一方の連結部）、継鉄部４、連結部３ｂ（他方の連結部）、磁極部２ｂ（他方の磁極部）、電機子５０の順で閉じた磁気回路を形成する。

電機子鉄心６も界磁鉄心１と同様に、複数枚の電磁鋼板（例えば０．１〜１．０ｍｍ程度の板厚のもの）を積層して形成される。

電機子鉄心６のスロット６ａ（図１の例では２２個）には電機子巻線７が施されており、電機子巻線７は整流子１３（図２参照）に接続されている。

電機子鉄心６の中心部には出力軸８が設けられ、例えば出力軸８に羽根１１（図２参照）を取り付けることで送風機２００（図２参照、送風機２００は、例えば電気掃除機に使用される）が構成される。

整流子電動機１００に交流電圧を印加すると、電流は界磁巻線５を介して、整流子１３に接触する一方のブラシ（後述する）に流れる。電機子巻線７へはブラシと整流子１３の摺動接触によって電流が流れる。電機子巻線７に流れた電流は、他方のブラシに流れることで界磁磁束及び電機子磁束が生成され、整流子電動機１００はトルクを発生する。

本実施の形態の整流子電動機１００は、略直方体の継鉄部４に界磁巻線５が施されている。略直方体の継鉄部４に界磁巻線５を巻くことで、磁極部２ａ，２ｂに界磁巻線５を巻く場合に比べて巻線周長が短くなる。

また、界磁巻線５を俵状に配置する整列巻が容易に実現可能となるため、巻線抵抗の低抵抗化を実現でき、銅損を低減させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、継鉄部４の直線部４ａの長さ（図１で左右方向の長さ）を長く設ける構造により、俵状に配置した界磁巻線５の段数（俵の段数、図１では上下方向）が少なくなる。段数が少なくなるということは、界磁巻線５の周長が短くなることを意味するため、更に高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

ここでは，整流子電動機１００に交流電源を印加した場合について述べたが，直流電源を印加した場合でも同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態の整流子電動機１００は、界磁鉄心１と電機子５０の間の空隙１４の寸法を一定ではなく、継鉄部４に近い側（図１では下側）の空隙１４の寸法を大きく、継鉄部４に遠い側（図１では上側）の空隙１４の寸法を小さくしたものである。

空隙１４の寸法は、継鉄部４に近い側（図１では下側）の空隙１４から継鉄部４に遠い側（図１では上側）の空隙１４に向かって徐々に滑らかに小さくなっている。

電気掃除機等に用いられる一般的な整流子電動機１００の空隙１４の寸法は０．３〜１．０ｍｍ程度で、一定である。

本実施の形態の整流子電動機１００は、継鉄部４に近い側（図１では下側）の空隙１４の寸法を０．９ｍｍ程度に、また継鉄部４に遠い側（図１では上側）の空隙１４の寸法を０．３ｍｍ程度にしている。

界磁鉄心１の形状が略馬蹄形で、横軸に対して非対称形状であるため、界磁磁束及び電機子磁束により、電機子５０は図１及び図２において下向きの半径方向加振力を持つことになる。

電機子５０の半径方向加振力が増加すると、軸受１２ａ，１２ｂ（図２参照）も半径方向に下向きの荷重が加わるため、荷重による機械損が増加する。機械損増加により損失が増加すると共に、整流子電動機１００に流れる電流が増加するため、界磁巻線５及び電機子巻線７の各々の銅損が増加し、整流子電動機１００の効率が低下する課題がある。

本実施の形態では、継鉄部４に近い側の空隙１４の寸法を大きく（例えば、０．９ｍｍ程度）、継鉄部４に遠い側の空隙１４の寸法を小さくし（例えば、０．３ｍｍ程度）、空隙１４の寸法を不均一にすることで、下向きの半径方向加振力を低減することができ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

図３により、変形例の整流子電動機１００を説明する。図１の整流子電動機１００と異なるのは、一対の磁極部２ａ，２ｂの電機子５０への対向面に段差部１６を設けて段を付けることで、継鉄部４に近い側の空隙１４ａの寸法と遠い側の空隙１４ｂの寸法に差を設けたものである。

継鉄部４に近い側の空隙１４ａの寸法を大きく、継鉄部４に遠い側の空隙１４ｂの寸法を小さくすることで、図中の下向きの半径方向加振力を低減することができ、軸受１２ａ，１２ｂ（図２参照）の機械損を低減させ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

尚、図１の整流子電動機１００と同様、継鉄部４に近い側の空隙１４ａの寸法は０．９ｍｍ程度、継鉄部４に遠い側の空隙１４ｂの寸法は０．３ｍｍ程度である。

また、本実施の形態では、非磁性体であるアルミニウム製のフレーム９を用いている。例えば、磁性体である鉄製のフレーム９を用いた場合、継鉄部４とフレーム９との間の空間１５に配置された界磁巻線５で生成される界磁磁束が磁性体である鉄製のフレーム９側に漏れてしまう。そのため整流子電動機１００に必要なトルクを得るためには整流子電動機１００に流れる電流を高くする必要があり、整流子電動機１００の効率が低下するという課題がある。

ここでは、非磁性体であるアルミニウム製のフレーム９を使用することにより、界磁巻線５で生成される界磁磁束の漏れ磁束は発生しない。そのため、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

なお、ここでは非磁性体であるアルミニウム製のフレーム９を用いたが、他の非磁性体である樹脂やステンレスなどの材質のフレーム９を用いても同様の効果を得ることができる。

また、アルミニウム製のフレーム９を用いた場合、鉄製のフレーム９と比較すると重量が軽くなるため、整流子電動機１００の軽量化を実現することができる。

本実施の形態の整流子電動機１００の出力軸８に、羽根１１を取り付けて送風機２００（図２参照）を構成した場合、界磁鉄心１とフレーム９との隙間（空間１５）は風路となる。特に電気掃除機用の送風機２００として用いた場合、羽根１１の一分間あたりの回転数は３６，０００ｒｐｍ以上であるため、流れる風は毎秒２０〜３０メートル程度であり、非常に高速である。

本実施の形態の整流子電動機１００は、界磁鉄心１を略馬蹄形の非対称形状（図１の横軸に対して）であるため、継鉄部４の外周側に形成される空間１５（図１、図３で下側）が広くなる。そのため、継鉄部４に施された界磁巻線５の周囲に風が流れやすくなる。界磁巻線５に流れる電流による銅損で界磁巻線５は発熱するが、界磁巻線５の周囲に風が流れやすくなるため、界磁巻線５の発熱による温度上昇を抑制することができる。界磁巻線５の温度が低くなると、界磁巻線５の巻線抵抗が低くなるため銅損が低減し、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、フレーム９内の風路にブラシを配置することで、ブラシの温度を低くすることができる。ブラシの材料には、炭素を主成分とする黒鉛系の材料を用いることが多いが、ブラシの温度上昇を抑えることにより、低抵抗化による高効率化を実現すると共に、温度上昇によるブラシの摩耗を抑制することができ、長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。

図２は送風機２００の縦断面図である。送風機２００は、少なくとも整流子電動機１００と、羽根１１と、ファンカバー１１ａとを備える。

整流子電動機１００は、少なくとも界磁４０と、電機子５０と、軸受１２ａ，１２ｂと、フレーム９と、ブラケット１０とを備える。

界磁４０は、既に述べたように、対向して配置される一対の磁極部２ａ，２ｂと、一つの継鉄部４と、磁極部２ａ，２ｂと継鉄部４とをつなぐ一対の連結部３ａ，３ｂとを備える界磁鉄心１と、継鉄部４に施される界磁巻線５とを備える。

電機子５０は、電機子鉄心６、電機子巻線７、出力軸８を有する。

電機子５０の出力軸８の両端部近傍に、軸受１２ａ，１２ｂを設ける。羽根１１側に軸受１２ａを設け、羽根１１の反対側に軸受１２ｂを設ける。

界磁４０をフレーム９に圧入して固定する。出力軸８の両端部近傍に軸受１２ａ，１２ｂを取付けた電機子５０を、軸受１２ｂ側から界磁４０の内側に挿入する（図２では、左側から右側に挿入）。

ブラケット１０をフレーム９の開口部に取り付け、ブラケット１０で軸受１２ａを支持する。さらに、羽根１１をブラケット１０から外部に突出する出力軸８の端部に固定する。さらに、羽根１１の外側にファンカバー１１ａを取り付ける。以上の工程により、送風機２００が完成する。尚、フレーム９は、軸方向の両端が開口し、夫々の開口部にブラケット１０を取り付ける構成でもよい。

例えば、電気掃除機等の機器に送風機２００を搭載する場合、送風機２００の向きは、図２に示すように、界磁鉄心１の継鉄部４が下で、電機子５０が上になるように配置する。

このように、電機子５０の下に界磁鉄心１の継鉄部４があり、電機子５０の上には界磁鉄心１の継鉄部４が存在しないため、略馬蹄形でない対称形の整流子電動機に比べて、本実施の形態の整流子電動機１００は、重心が低くなる。

重心が低くなることで電気掃除機を使用する際、掃除作業中に電気掃除機の本体が転倒しにくくなるなど、操作性、操縦性が良くなり、操作性、操縦性の良い電気掃除機を得ることができる。

また、フレーム９と同様にブラケット１０の材料にもアルミニウムを使用することで、送風機２００の軽量化を実現することができる。例えば、鉄製のブラケット１０を使用して、かつ界磁巻線５とブラケット１０との距離が短くなると、界磁巻線５のブラケット１０近傍の端部における漏れ磁束がブラケット１０に流れる可能性がある。ブラケット１０に漏れ磁束が発生すると、整流子電動機１００のトルクが減少してしまうため、効率が悪化する課題がある。

ここでは、非磁性体のアルミニウム製のブラケット１０を使用することで漏れ磁束が発生せず、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

ブラケット１０の材料は、アルミニウム以外でも樹脂などの非磁性体が望ましいが、界磁巻線５から離れている場合は、磁性体でも構わない。

界磁巻線５及び電機子巻線７には、一般的には銅線が用いられることが多い。本実施の形態の整流子電動機１００は、略直方体の継鉄部４に界磁巻線５を巻くので、磁極部２ａ，２ｂに界磁巻線５を巻く界磁鉄心が対称な整流子電動機に比べて、界磁巻線５の周長が短くなる。

本実施の形態の整流子電動機１００における界磁巻線５の抵抗値は、界磁鉄心が対称な整流子電動機の界磁巻線５の抵抗値の約１／２にすることが可能である（本実施の形態の整流子電動機１００における界磁巻線５の重量も、界磁鉄心が対称な整流子電動機の界磁巻線５の重量の約１／２にすることが可能である）。

従って、銅線の代わりに電気抵抗率の大きいアルミニウム線を用いることができる。アルミニウムの電気抵抗率は、銅の電気抵抗率の約１．６倍である。銅線と同じ周長・線径のアルミニウム線を用いる場合の界磁巻線５の抵抗値は、界磁鉄心が対称な整流子電動機の界磁巻線５の抵抗値の約０．８（１／２（本実施の形態の整流子電動機１００における界磁巻線５の抵抗値／界磁鉄心が対称な整流子電動機の界磁巻線５の抵抗値）×１．６（アルミニウムの電気抵抗率／銅の電気抵抗率）＝０．８）倍であり、アルミニウム線を用いても抵抗値が小さくなる。本実施の形態の整流子電動機１００は、略直方体の継鉄部４に界磁巻線５を巻くためである。

本実施の形態の整流子電動機１００における界磁巻線５の重量は、界磁鉄心が対称な整流子電動機の界磁巻線５の重量の約１／２にすることが可能であるが、アルミニウムの比重は銅の比重の約１／３であるから、銅線の代わりにアルミニウム線を用いる場合の界磁巻線５の重量は、約１／２の重量よりもさらに軽くなる（本実施の形態の整流子電動機１００における界磁巻線５にアルミニウム線を用いる場合の重量は、界磁鉄心が対称な整流子電動機の界磁巻線５の重量の１／２×１／３＝０．１７倍）。

このように、界磁巻線５にアルミニウム線を使用することで巻線重量が軽くなり、軽量な整流子電動機１００を得ることができる。更にこの整流子電動機１００を電気掃除機に搭載した場合、電気掃除機が軽量になり、更に操作性、操縦性の良い電気掃除機を得ることができる。

また、図２において、フレーム９内には、主に界磁巻線５を冷却する空気の通路となる通風路Ａと、主に電機子５０を冷却する空気の通路となる通風路Ｂとが形成される。

界磁巻線５が配置される通風路Ａの発熱量は、電機子５０が配置される通風路Ｂに比べ大きいため、羽根１１が吸い込む外気を、通風路Ｂより多く通過させることで、整流子電動機１００の冷却効率を向上できる。

ここでは、界磁巻線５を継鉄部４に施した場合について説明したが、一対の連結部３ａ及び連結部３ｂに分けて巻いても、また継鉄部４と一対の連結部３ａ及び連結部３ｂに分散させて巻いても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態の整流子電動機１００は、略直方体の継鉄部４に界磁巻線５を巻くことで、磁極部２ａ，２ｂに界磁巻線５を巻く場合に比べて巻線周長が短くなる。

また、界磁巻線５を俵状に配置する整列巻が容易に実現可能となるため、巻線抵抗の低抵抗化を実現でき、銅損を低減させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、継鉄部４の直線部４ａの長さを長くする構造により、俵状に配置した界磁巻線５の段数が少なくなることにより、界磁巻線５の周長が短くなり、更に高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、継鉄部４に近い側の空隙１４の寸法を大きく（例えば、０．９ｍｍ程度）、継鉄部４に遠い側の空隙１４の寸法を小さくし（例えば、０．３ｍｍ程度）、空隙１４の寸法を不均一にすることで、下向き（継鉄部４側）の半径方向加振力を低減することができ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、一対の磁極部２ａ，２ｂの電機子５０への対向面に段差部１６を設けて段を付けることで、継鉄部４に近い側の空隙１４ａの寸法を大きく、継鉄部４に遠い側の空隙１４ｂの寸法を小さくすることで、下向きの半径方向加振力を低減することができ、軸受１２ａ，１２ｂの機械損を低減させ、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、非磁性体であるアルミニウム製のフレーム９を使用することにより、界磁巻線５で生成される界磁磁束の漏れ磁束が発生しないため、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、アルミニウム製のフレーム９を用いた場合、鉄製のフレーム９と比較すると重量が軽くなるため、整流子電動機１００の軽量化を実現することができる。

また、本実施の形態の整流子電動機１００は、界磁鉄心１を略馬蹄形の非対称形状（図１の横軸に対して）であるので、継鉄部４の外周側に形成される空間１５（図１、図３で下側）が広くなり、継鉄部４に施された界磁巻線５の周囲に風が流れやすくなるため、界磁巻線５の発熱による温度上昇を抑制することができる。界磁巻線５の温度が低くなると、界磁巻線５の巻線抵抗が低くなるため銅損が低減し、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、フレーム９内の風路にブラシを配置することで、ブラシの温度を低くすることができ、低抵抗化による高効率化を実現すると共に、温度上昇によるブラシの摩耗を抑制することができ、長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。

また、電気掃除機等の機器に送風機２００を搭載する場合、送風機２００の向きは、図２に示すように、界磁鉄心１の継鉄部４が下で、電機子５０が上になるように配置することにより、馬蹄形でない対称形の整流子電動機に比べて、本実施の形態の整流子電動機１００は重心が低くなるため、電気掃除機を使用する際、掃除作業中に電気掃除機の本体が転倒しにくくなるなど、操作性、操縦性が良くなり、操作性、操縦性の良い電気掃除機を得ることができる。

また、フレーム９と同様にブラケット１０の材料にもアルミニウムを使用することで、送風機２００の軽量化を実現することができるとともに、漏れ磁束が発生せず、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

このように、界磁巻線５にアルミニウム線を使用することで巻線重量が軽くなり、軽量な整流子電動機１００を得ることができ、この整流子電動機１００を電気掃除機に搭載した場合、電気掃除機が軽量になり、更に操作性、操縦性の良い電気掃除機を得ることができる。

実施の形態２．
図４は実施の形態２を示す図で、整流子電動機１００の横断面図である。

図４に示すように、本実施の形態は、継鉄部４の一部に電機子５０の方向（内径側）に突出する補極部１７を設けると共に、補極部１７の両側に巻かれた界磁巻線５ａ，５ｂの巻数に差を設けるようにしたものである。

電機子５０の回転方向を反時計方向とした場合、補極部１７に対して時計方向の界磁巻線５ｂの巻数を、補極部１７に対して反時計方向の界磁巻線５ａの巻数より多くする。

界磁巻線５ａ，５ｂの巻数に差を設けることにより、等価的に（仮想の）補極部１７に巻線（補極巻線）が巻かれたことになる。界磁巻線５ａ，５ｂの巻数が同数であれば、界磁巻線５ａにより発生する磁束と界磁巻線５ｂにより発生する磁束とが打ち消しあって、補極部１７には磁束は流れない。補極部１７に巻線（補極巻線）が巻かれない状態である。

界磁巻線５ａ，５ｂの巻数に差を設けて、等価的に（仮想の）補極巻線を設けることで、界磁磁束及び電機子磁束の時間変化が滑らかになり、整流火花の発生を低減することができるため、整流火花の発生を抑制した長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。

本実施の形態では、界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂを継鉄部４に施した場合について説明したが、一対の連結部３ａ及び３ｂにそれぞれ巻線を施しても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、継鉄部４の一部に電機子５０の方向（内径側）に突出する補極部１７を設けると共に、補極部１７の両側に巻かれた界磁巻線５ａ，５ｂの巻数に差を設けることで、界磁磁束及び電機子磁束の時間変化が滑らかになり、整流火花の発生を低減することができるため、整流火花の発生を抑制した長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。

実施の形態３．
図５は実施の形態３を示す図で、整流子電動機１００の横断面図である。

図５に示すように、一対の連結部３ａ及び連結部３ｂから一対の磁極部２ａ及び磁極部２ｂにかけて電機子５０側に傾斜する傾斜部１８ａ及び傾斜部１８ｂを設けたものである。

界磁鉄心１の形状が略馬蹄形状の非対称形状であるため、界磁磁束及び電機子磁束で生成される磁束は、継鉄部４に近い方（図中の下側）をより多く通るため、一対の磁極部２ａ及び磁極部２ｂの継鉄部４から遠い上側（図５で）の方は磁束が余り通らない。

そのため、磁極部２ａ及び磁極部２ｂの鉄心のうち、継鉄部４から遠い側の鉄心を少なくして、一対の連結部３ａ及び連結部３ｂから一対の磁極部２ａ及び磁極部２ｂにかけて傾斜部１８ａ及び傾斜部１８ｂを設けても磁束の流れを妨げることはない。

傾斜部１８ａ及び傾斜部１８ｂを設けることで界磁鉄心１が軽くなるため、軽量な整流子電動機１００を得ることができる。

また、本実施の形態の整流子電動機１００を送風機２００として使用した場合、界磁鉄心１とフレーム９との間の空間１５（傾斜部１８ａ及び傾斜部１８ｂとフレーム９との間の空間、図５で左右の空間１５）の断面積が増えることで、風路面積が拡大し、送風機２００としての性能が向上すると共に、界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂの冷却効果による高効率な送風機２００を得ることができる。

尚、図５に示すように、本実施の形態では、界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂを夫々連結部３ａ及び連結部３ｂに巻回している。但し、界磁巻線５を、継鉄部４に巻回しても同様の効果を奏する。また、界磁巻線５を、連結部３ａ，３ｂと継鉄部４の両方に施しても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、一対の連結部３ａ及び連結部３ｂから一対の磁極部２ａ及び磁極部２ｂにかけて電機子５０側に傾斜する傾斜部１８ａ及び傾斜部１８ｂを設けたので、磁束の流れを妨げることなく、界磁鉄心１が軽くなり、軽量な整流子電動機１００を得ることができる。

また、界磁鉄心１とフレーム９との間の空間１５の断面積が増えることで、風路面積が拡大し、送風機２００としての性能が向上すると共に、界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂの冷却効果による高効率な送風機２００を得ることができる。

実施の形態４．
図６乃至図７は実施の形態４を示す図で、図６は整流子電動機１００の横断面図、図７は整流子電動機１００の制御回路図である。

図６に示すように、界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂを一対の連結部３ａ及び連結部３ｂに配置すると共に、一対の磁極部２ａ及び２ｂの形状を図６に示す縦軸に対して非対称形状にしたものである。

電機子５０の回転方向を反時計方向とした場合、電機子反作用の影響により、電機子５０を通る磁束の方向は、図６に示す横軸に対して時計方向にずれた方向となる。

界磁鉄心１が略馬蹄形状の非対称形状であるため、界磁磁束及び電機子磁束で生成される磁束は、継鉄部４に近い方をより多く通り、また電機子反作用の影響で横軸に対して時計方向（継鉄部４側）にずれた方向で磁束が通ることから、図中の右側に配置された磁極部２ａはフレーム９に近い方向（図６で磁極部２ａの右端部方向）まで磁束が流れることが少なくなる。

磁束の流れを考慮して一方（右側）の磁極部２ａを他方（左側）の磁極部２ｂより小さくすることで界磁鉄心１が軽くなるため、軽量な整流子電動機１００を得ることができる。

また、磁気回路での磁路長が縮小するため磁気抵抗が低くなり、流れる電流が低下し、高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

更に磁極部２ａを小さくすることで、フレーム９との隙間で形成される空間１５の風路が拡大するため、界磁巻線５ａを冷却することができ、界磁巻線５ａの温度を低減された高効率な整流子電動機１００を得ることができると共に、風路拡大による高性能な整流子電動機１００を得ることができる。

ここでは、界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂを連結部３ａ及び連結部３ｂに配置する構成について述べたが、磁極部２ａ，２に界磁巻線５を配置しても同様の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、界磁鉄心１を磁極部２ａ及び磁極部２ｂと連結部３ａ及び連結部３ｂとの間で分割し、一対の連結部３ａ及び連結部３ｂに界磁巻線５ａ及び界磁巻線５ｂを施している。

界磁鉄心１を磁極部２ａ及び磁極部２ｂと連結部３ａ及び連結部３ｂとの間で分割すると、継鉄部４および一対の連結部３ａ及び連結部３ｂからなる鉄心１ｃは、単純なコの字形状になる。

コの字形状の鉄心１ｃは、界磁巻線５ａ，５ｂを施す際に、開口部（コの字形状の開口部）が広く空いているため、簡単・単純な巻線装置・設備を使用しても、界磁巻線５ａ，５ｂの整列巻が実現可能となる。

そのため、界磁巻線５ａ，５ｂの巻線抵抗の低抵抗化を実現でき、銅損を低減させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、界磁鉄心１を分割することにより、一対の連結部３ａ，３ｂ及び継鉄部４からなる鉄心１ｃと、一対の磁極部２ａ，２ｂを別の電磁鋼板のロール材（フープ材）から打ち抜くことも可能となる。これにより、鉄心を電磁鋼板から打ち抜く際の材料取り（歩留まり）が良くなるため、必要な電磁鋼板の量を削減することができ、低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

更に界磁鉄心１を分割することで、一対の磁極部２ａ，２ｂと一対の連結部３ａ，３ｂおよび継鉄部４からなる鉄心１ｃとで、別材料の電磁鋼板を使用することも可能になる。

整流子電動機１００は、一分間当たりの回転数が３６，０００ｒｐｍ以上で運転されており、また、電機子鉄心６の歯部６ｂが２２個構成され、ここに２２個の電機子巻線７が配置され、各々の電機子巻線７は２２個の整流子片（整流子１３は２２個の整流子片を備える）に接続されている。

電機子電流の整流動作は一回転当たり２２回行われるので、電機子５０と直列に接続された界磁巻線５ａ，５ｂに流れる界磁電流も一回転当たり２２回の脈動成分を持つことになり、各々の電機子鉄心６の歯部６ｂにおける磁束の大きさも一回転当たり２２回脈動する。このときの脈動周波数は３６，０００／６０×２２＝１３，２００Ｈｚ以上となる。その結果、電機子５０で発生する鉄損は渦電流損が支配的となり、薄板の電磁鋼板を用いることで鉄損を低減させた整流子電動機１００を得ることができる。

また、界磁４０の磁極部２ａ，２ｂは電機子鉄心６に対向する部分（内周側表面近傍）は、各部において対向する電機子鉄心６の歯部６ｂが一回転当たり２２回切り替わるため、磁束が高周波で脈動する影響で渦電流損が高くなる傾向がある。

ここでは電機子鉄心６と界磁４０の磁極部２ａ，２ｂを、例えば厚さが０．１〜０．３５ｍｍの薄板電磁鋼板を使用し、連結部３ａ，３ｂと継鉄部４とからなる鉄心１ｃは、例えば厚さが０．３５〜１ｍｍの電磁鋼板を使用することで、鉄損を低減させた高効率で、かつ低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

本実施の形態では、一対の連結部３ａ，３ｂに界磁巻線５ａ，５ｂを施した例について説明したが、界磁巻線５は、継鉄部４に施しても、また連結部３ａ，３ｂと継鉄部４の両方に施しても同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態によれば、コの字形状の鉄心１ｃは、界磁巻線５ａ，５ｂを施す際に開口部が広く空いているため、簡単・単純な巻線装置・設備を使用しても、界磁巻線５ａ，５ｂの整列巻が実現可能となる。そのため、界磁巻線５ａ，５ｂの巻線抵抗の低抵抗化を実現でき、銅損を低減させた高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

また、界磁鉄心１を分割することにより、一対の連結部３ａ，３ｂおよび継鉄部４からなる鉄心１ｃと、一対の磁極部２ａ，２ｂを別の電磁鋼板のロール材（フープ材）から打ち抜くことも可能となり、鉄心を電磁鋼板から打ち抜く際の材料取り（歩留まり）が良くなる。そのため、必要な電磁鋼板の量を削減することができ、安価な整流子電動機１００を得ることができる。

また、電機子鉄心６と界磁４０の磁極部２ａ，２ｂを、例えば厚さが０．１〜０．３５ｍｍの薄板電磁鋼板を使用し、連結部３ａ，３ｂと継鉄部４とからなる鉄心１ｃは、例えば厚さが０．３５〜１ｍｍの電磁鋼板を使用することで、鉄損を低減させた高効率で、かつ低価格な整流子電動機１００を得ることができる。

また、図７は整流子電動機１００の制御回路図であり、図６で説明した各々の連結部３ａ，３ｂに巻かれた二つの界磁巻線５ａ、５ｂの間に電機子５０を配置し、交流電源３０と位相制御を行うためのトライアック２０とを直列接続した制御回路を示している。尚、電機子５０は、界磁巻線５ａ、５ｂに夫々ブラシ６０ａ，６０ｂを介して接続する。

本実施の形態の整流子電動機１００は、一分間あたりの回転数が３６，０００ｒｐｍ以上で運転されている。また、電機子鉄心６には２２個のスロット６ａが設けられており、また整流子１３にも２２個の整流子片（図示せず）が設けられている。

電機子巻線７の整流動作は１回転あたり２２回切り替わるため、その切替周波数は３６，０００ｒｐｍ／６０×２２＝１３，２００Ｈｚで、切替時間は約７５μｓｅｃ程度であり、非常に短時間で電機子巻線７に流れる電流を整流している。

また、整流子電動機１００に流れる電流は実効値で１０〜１２Ａ程度である。また、この整流子電動機１００を用いた送風機２００を電気掃除機に搭載した場合は、トライアック２０を用いた位相制御方式による電流制御（風量制御）を行って、電気掃除機の吸引力を制御している。

交流電源３０の半周期毎に交流電圧のオン／オフを制御する位相制御方式では、電圧をオンさせた後、整流子電動機１００に流れる電流が急峻に立ち上がるため、電動機に流れる電流の時間変化量であるｄｉ／ｄｔが非常に大きくなる。特に位相制御時の位相角が９０度近傍では、ｄｉ／ｄｔが最も大きくなる。電流時間変化ｄｉ／ｄｔが大きくなると、ブラシ６０ａ，６０ｂ・整流子１３の整流切替タイミングで、ブラシ６０ａ，６０ｂの整流火花が大きくなってブラシ６０ａ，６０ｂの摩耗が速くなる。これにより、短時間でブラシ６０ａ，６０ｂが寿命となり、整流子電動機１００を運転できなくなる課題があった。

本実施の形態では、界磁巻線５を二つに分けた界磁巻線５ａ，５ｂの間に電機子５０を配置したため、整流切替タイミングでのブラシ６０ａ，６０ｂの火花発生量を抑えることができると共に、交流電源３０への伝導ノイズを抑制することができる。

また、界磁鉄心１の連結部３ａ，３ｂに界磁巻線５ａ，５ｂを配置したため、磁極部２ａ，２ｂの歯先での磁束の時間変化が滑らかになり、電流時間変化が小さくなることでブラシ６０ａ，６０ｂの整流火花を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、二つに分かれた界磁巻線５ａ，５ｂの間に電機子５０を配置したため、整流切替タイミングでのブラシ６０ａ，６０ｂの火花発生量を抑えることができ、長寿命な整流子電動機１００を得ることができる。

また、界磁鉄心１の連結部３ａ，３ｂに界磁巻線５ａ，５ｂを配置したため、磁極部２ａ，２ｂの歯先での磁束の時間変化が滑らかになり、ブラシ６０ａ，６０ｂの火花を抑制することができる。

また、界磁巻線５ａ，５ｂを二つの連結部３ａ，３ｂに分けて配置したため巻線周長増加を抑えることができ、銅損の小さい高効率な整流子電動機１００を得ることができる。

実施の形態１を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態１を示す図で、送風機２００の縦断面図。 実施の形態１を示す図で、変形例の整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態２を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態３を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態４を示す図で、整流子電動機１００の横断面図。 実施の形態４を示す図で、整流子電動機１００の制御回路図。

符号の説明

１ 界磁鉄心、１ａ 円弧部、１ｃ 鉄心、２ａ 磁極部、２ｂ 磁極部、３ａ 連結部、３ｂ 連結部、４ 継鉄部、４ａ 直線部、５ 界磁巻線、５ａ 界磁巻線、５ｂ 界磁巻線、６ 電機子鉄心、６ａ スロット、６ｂ 歯部、７ 電機子巻線、８ 出力軸、９ フレーム、１０ ブラケット、１１ 羽根、１１ａ ファンカバー、１２ａ 軸受、１２ｂ 軸受、１３ 整流子、１４ 空隙、１４ａ 空隙、１４ｂ 空隙、１５ 空間、１６ 段差部、１７ 補極部、１８ａ 傾斜部、１８ｂ 傾斜部、２０ トライアック、３０ 交流電源、４０ 界磁、５０ 電機子、６０ａ ブラシ、６０ｂ ブラシ、１００ 整流子電動機、２００ 送風機。

Claims (17)

1. 軸方向の端部が開口する筒形のフレームと、前記フレーム内に固定され、界磁巻線と界磁鉄心とを有する界磁と、前記界磁の内部に回転自在に収納される電機子とを備える整流子電動機において、
   前記界磁鉄心は、
   対向して配置される一対の磁極部と、
   一つの継鉄部と、
   前記一対の磁極部と前記継鉄部とを連結する一対の連結部と、
   当該界磁鉄心の外周面の複数箇所に設けられ、前記フレームに固定される固定部とを備え、
   前記一方の磁極部、前記一方の連結部、前記継鉄部、前記他方の連結部、前記他方の磁極部、前記電機子の順で閉じた磁気回路を構成すると共に、
   前記電機子と前記界磁鉄心との間の空隙の寸法を不均一としたことを特徴とする整流子電動機。
2. 前記継鉄部に近い側の前記空隙の寸法を、前記継鉄部に遠い側の前記空隙の寸法よりも大きくしたことを特徴とする請求項１記載の整流子電動機。
3. 前記空隙の寸法は、前記継鉄部に近い側の前記空隙から前記継鉄部に遠い側の前記空隙に向かって徐々に滑らかに小さくなっていることを特徴とする請求項２記載の整流子電動機。
4. 前記一対の磁極部の前記電機子への対向面に段差部を設けることで、前記継鉄部に近い側の前記空隙の寸法と前記継鉄部に遠い側の前記空隙の寸法に差を設けたことを特徴とする請求項２記載の整流子電動機。
5. 軸方向の端部が開口する筒形のフレームと、前記フレーム内に固定され、界磁巻線と界磁鉄心とを有する界磁と、前記界磁の内部に回転自在に収納される電機子とを備える整流子電動機において、
   前記界磁鉄心は、
   対向して配置される一対の磁極部と、
   一つの継鉄部と、
   前記一対の磁極部と前記継鉄部とを連結する一対の連結部と、
   当該界磁鉄心の外周面の複数箇所に設けられ、前記フレームに固定される固定部とを備え、
   前記一方の磁極部、前記一方の連結部、前記継鉄部、前記他方の連結部、前記他方の磁極部、前記電機子の順で閉じた磁気回路を構成すると共に、
   前記継鉄部の一部から前記電機子の方向に突出した補極部を設け、前記補極部の両側に施される前記界磁巻線の巻数に差を設けたことを特徴とする整流子電動機。
6. 前記補極部に対して前記電機子の回転方向側の前記界磁巻線の巻数を、前記補極部に対して前記電機子の反回転方向側の前記界磁巻線の巻数より少なくすることを特徴とする請求項５記載の整流子電動機。
7. 軸方向の端部が開口する筒形のフレームと、前記フレーム内に固定され、界磁巻線と界磁鉄心とを有する界磁と、前記界磁の内部に回転自在に収納される電機子とを備える整流子電動機において、
   前記界磁鉄心は、
   対向して配置される一対の磁極部と、
   一つの継鉄部と、
   前記一対の磁極部と前記継鉄部とを連結する一対の連結部と、
   当該界磁鉄心の外周面の複数箇所に設けられ、前記フレームに固定される固定部とを備え、
   前記一方の磁極部、前記一方の連結部、前記継鉄部、前記他方の連結部、前記他方の磁極部、前記電機子の順で閉じた磁気回路を構成すると共に、
   前記一対の連結部から前記一対の磁極部にかけて、夫々前記電機子側に傾斜する傾斜部を設けたことを特徴とする整流子電動機。
8. 軸方向の端部が開口する筒形のフレームと、前記フレーム内に固定され、界磁巻線と界磁鉄心とを有する界磁と、前記界磁の内部に回転自在に収納される電機子とを備える整流子電動機において、
   前記界磁鉄心は、
   対向して配置される一対の磁極部と、
   一つの継鉄部と、
   前記一対の磁極部と前記継鉄部とを連結する一対の連結部と、
   当該界磁鉄心の外周面の複数箇所に設けられ、前記フレームに固定される固定部とを備え、
   前記一方の磁極部、前記一方の連結部、前記継鉄部、前記他方の連結部、前記他方の磁極部、前記電機子の順で閉じた磁気回路を構成すると共に、
   前記一対の磁極部を非対称形状としたことを特徴とする整流子電動機。
9. 前記継鉄部に対して前記電機子の回転方向側の前記一方の磁極部を、前記継鉄部に対して前記電機子の反回転方向の前記他方の磁極部よりも小さくしたことを特徴とする請求項８記載の整流子電動機。
10. 前記界磁鉄心を前記一対の磁極部と前記一対の連結部との間で分割するとともに、前記一対の連結部に前記界磁巻線を施すことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の整流子電動機。
11. 前記界磁鉄心を前記一対の磁極部と前記一対の連結部との間で分割するとともに，前記継鉄部に前記界磁巻線を施すことを特徴とする請求項１乃至請求項９記載の整流子電動機。
12. 前記継鉄部及び前記一対の連結部からなる鉄心は、単純なコの字形状であることを特徴とする請求項１０又は請求項１１記載の整流子電動機。
13. 前記フレームの材質を、非磁性体とすることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の整流子電動機。
14. 前記界磁鉄心の前記固定部の間の外周面と前記フレームとの間に空間を形成することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の整流子電動機。
15. 前記界磁巻線を二分割して施し、分割した前記界磁巻線の間に前記電機子を接続することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の整流子電動機。
16. 請求項１乃至１５のいずれかに記載の整流子電動機と、前記整流子電動機の前記電機子に固定される羽根とを備えたことを特徴とする送風機。
17. 請求項１６記載の送風機を備えたことを特徴とする電気掃除機。

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