JP5619089B2 - 電動送風機 - Google Patents

Description

本発明は、電動送風機に関するものである。

電気掃除機等に搭載される、ブロワ部とモータが一体となった電動送風機は、一般に、３００００〜４５０００ｒ／ｍｉｎという高回転数で使用されるため、磁極が２つの整流子モータが使われている。この電動送風機では、モータの発熱量が大きいため、ブロワ部からの排気をモータのフレーム内に案内してモータを冷却する構造が採られている。

ところで、家庭用の電気掃除機は軽量化が強く求められているが、軽量化を図るためにモータを構成する各部品を一律に従来形状から相似形で小さくすることにはいくつかの問題がある。

一つは、必要な出力と耐用時間（寿命）が決まっている場合、ロータコアの外径を従来に比べて大幅に小さくすることが困難である点である。製造工程において電機子巻線の巻装作業では、ロータコアの直上にある整流子との干渉を避けながら巻線を所定ピッチ離れたスロット間を渡らせる必要がある。ロータコアの外径を小さくした場合、この巻装作業時の干渉を避けるために整流子の外径も小さくする必要がある。しかしながら整流子の外径を小さくした場合、それに伴ってブラシと整流子のセグメントとの接触面積も小さくなるため電流密度が高くなって必要なブラシ寿命が得られなくなる。また、セグメント同士の間隔が短くなるため絶縁性の確保が難しくなる。従って、モータの軽量化には、ロータコアの外径を小さくせずにステータコアを小形化することが課題となっている。

また、界磁巻線の温度上昇の問題がある。ステータコアの外形を小さくした場合、磁極の両脇のスペースが小さくなるため、界磁巻線の線径を細くする必要がある。界磁巻線の線径が細くなると電気抵抗が増えて発熱量が増え、巻線温度が高くなるとさらに電気抵抗が増える。界磁巻線の電気抵抗が増えると銅損が増えるのでモータ効率の低下を招く。従って、界磁巻線の冷却性の向上も、モータの軽量化での課題である。

特許文献１には、外形形状が略正方形のステータコアを円筒状のフレームに内接・固定した構造が示されている。また、フレームとステータコア外形とで区切られた４つの風路の断面積を略均等とすることで冷却効率を増大できるとの記載がある。

特公昭６２−０３８９３９号公報

しかしながら、特許文献１の従来技術には、軽量化の具体的な手段については開示されていない。また、ステータコアの外形形状を略正方形の相似形で小さくしたとしても、界磁巻線の温度上昇の問題がある。通常ステータコアよりも界磁巻線のほうが発熱量は多く、特に軽量化の目的でステータコアの外形を小さくするために界磁巻線の細線化を図った場合はより顕著となる。そのため、ステータコアの外形を小さくするほど４つの風路の断面積を等しくすることよりも、界磁巻線に触れる風量が増えるように４つの風路の断面積の比率を工夫するほうがモータ効率は良くなる。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、モータの軽量化を図りつつも界磁巻線の冷却性を向上してモータ効率の低下を抑制できる電動送風機を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動送風機は、筒状のフレームと、前記フレームの軸方向に垂直な断面の形状が環状でかつ外形形状が略長方形であって、前記長方形の短辺方向に延伸する一対の短辺部と当該一対の短辺部間に配置されて前記長方形の長辺方向に延伸し内側に一対の磁極が設けられた一対の長辺部とを有して成るとともに、前記フレームに内接し固定されたステータコアと、前記一対の磁極に巻装され、コイルエンドが前記一対の長辺部の外側を迂回するように配置された界磁巻線と、前記ステータコアの内側に空隙を介して対向して回転自在に配置されシャフトに固定された環状のロータコアと、前記ロータコアに巻装された電機子巻線と、前記シャフトに固定され前記電機子巻線に接続された整流子とを有するロータと、前記ロータの回転に伴って回転するファンと、前記ファンの回転に伴う空気の流れを前記フレームと前記ステータコアとの間に設けられた風路に導くファンガイドと、を備え、前記各長辺部では、当該長辺部に設けられた前記磁極の両側における第１の幅が当該磁極の中央部における第２の幅よりも大きく、前記ステータコアの外形の短辺の長さをＢ、前記一対の長辺部の前記第１の幅をＷ、前記ロータコアの外径をｄ、前記空隙の間隔をｇとしたときに、ｄ＋２ｇ＜Ｂ＜ｄ＋２ｇ＋２Ｗが成り立つようにＢが設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、モータの軽量化を図りつつも界磁巻線の冷却性を向上してモータ効率の低下を抑制できる、という効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る電動送風機の概略構造を示す縦断面図である。 図２は、実施の形態１における整流子モータの主要部をファン側の軸方向から視た図である。 図３は、（Ｂ／Ｄ）とＳとの関係を示した図である。 図４は、実施の形態２における整流子モータの主要部をファン側の軸方向から視た図である。 図５は、実施の形態３に係る電動送風機の整流子モータのブラシの位置における横断面図である。 図６は、実施の形態４に係る整流子モータの主要部をファン側の軸方向から視た図であり、磁化容易方向を矢印で示した図である。 図７は、Ａ＜Ｂとしたときの図２に対応する構成図である。 図８は、実施の形態３に係る電動送風機の整流子モータのブラシの位置における横断面図である。

以下に、本発明に係る電動送風機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本実施の形態に係る電動送風機の概略構造を示す縦断面図である。電動送風機１は大きく分けて、吸い込む力を生むブロワ部２と、ブロワ部２を駆動する整流子モータ３の２つのユニットからなる。電動送風機１は、例えば電気掃除機に適用することができる。

ブロワ部２は、複数の翼を備えたファン４と、ファン４を覆いファン４の回転に伴って通流する空気を整流子モータ３へ案内するファンガイド５とを備えている。整流子モータ３は、カップ（筒）状のフレーム６の内側に固定されて界磁の役割をするステータ７と、ステータ７の内側に空隙２０を介して対向して配置され回転自在に支持されて電機子の役割をするロータ８とを備えている。

ステータ７は、電磁鋼板を複数枚積層固着してなるステータコア９と、ステータコア９に巻装された界磁巻線１０とを備えている。界磁巻線１０に電流を流すことによってステータ７の内側に磁界を発生させる。

ロータ８は、中心に配置されたシャフト１１と、シャフト１１の周りに固定され電磁鋼板を複数枚積層固着してなる環状のロータコア１２と、ロータコア１２に巻装された電機子巻線１７と、ロータコア１２と離隔して配置されシャフト１１の周りに固定された整流子１３とを備え、シャフト１１及びベアリング１４，１５を介してフレーム６に回転自在に支持される。

ブロワ部２側のベアリング１４はフレーム６の開口部を横断して架橋するように設けられたブラケット２１に収納され、他方（ブロワ部２側と反対側）のベアリング１５はフレーム６の底に収納される。

シャフト１１のブロワ部２側の端部１６にはファン４が固定されており、ロータ８の回転に伴ってファン４が回転駆動される。電機子巻線１７を構成する複数のコイルの始端（巻き始めの端末）と終端（巻き終わりの端末）は、整流子１３のセグメント１８にヒュージング（熱かしめ）等の方法で電気的に接続される。フレーム６に保持され、バネで整流子１３に押し付けられて摺動接触する一対のブラシ１９は、一方は界磁巻線１０の一方に、他方は界磁巻線１０の他方に接続され、さらに界磁巻線は、電源（図示せず）に接続されており、整流子１３を介して電機子巻線１７に電流（電機子電流）を供給する。

ステータ７が発生する磁界と電機子電流とによりロータ８に回転トルクが発生する。ロータ８の回転方向を一定にするため、ロータ８の位相に合わせて電機子電流の流れるコイルが切り替わるように電機子巻線１７とセグメント１８とが結線されている。

図２は、整流子モータ３の主要部をファン４側の軸方向から視た図である。ただし、図２では、フレーム６は断面である。図２に示すように、ステータコア９は、環状でその外形形状は略長方形であり、円筒状のフレーム６に内接し固定されている。フレーム６の内径はＤで表し、ステータコア９の外形である略長方形の長辺はＡで短辺はＢで表す。ステータコア９は、上記長方形の一方の短辺を含み略一定の幅で短辺方向に延伸する短辺部９ｃと、上記長方形の他方の短辺を含み略一定の幅で短辺方向に延伸する短辺部９ｄと、短辺部９ｃ，９ｄ間に配置されて短辺部９ｃ，９ｄと一体に設けられ上記長方形の長辺方向に延伸するとともに内側（内径側）に磁極２２ａが設けられた長辺部９ａと、短辺部９ｃ，９ｄ間に配置されて短辺部９ｃ，９ｄと一体に設けられ上記長方形の長辺方向に延伸するとともに内側（内径側）に磁極２２ｂが設けられた長辺部９ｂとを備えている。

短辺部９ｃ，９ｄは、例えば幅が互いに同一であり、長辺方向に互いに対向している。長辺部９ａは、磁極２２ａが設けられた部位を除いて略一定の幅Ｗである。すなわち、長辺部９ａは、磁極２２ａの長辺方向の両側におけるその幅Ｗが略一定である。同様に、長辺部９ｂは、磁極２２ｂが設けられた部位を除いて略一定の幅Ｗである。すなわち、長辺部９ｂは、磁極２２ｂの長辺方向の両側におけるその幅Ｗが略一定である。長辺部９ａ，９ｂは短辺方向に互いに対向している。なお、図示例では、短辺部９ｃ，９ｄの幅も例えばＷである。このように、ステータコア９は、フレーム６又はシャフト１１の軸方向に垂直な断面の形状が、図２に示すような略長方形環状であり、長辺部９ａ，９ｂに一対の磁極２２ａ，２２ｂが設けられている。

ステータコア９の内側には、中心にシャフト１１が設けられた断面円形のロータコア１２が回転自在に配置されている。ロータコア１２には、外周に沿って複数個のティース部１２ａが設けられ、隣接するティース部１２ａ間にはスロット部１２ｂが設けられている。ロータコア１２の外径はｄで表す。なお、図２では、ティース部１２ａ及びスロット部１２ｂの一部のみを示している。また、ロータコア１２のティース部１２ａにはスロット部１２ｂを介して前述の電機子巻線１７が巻装されるが、電機子巻線１７についても図示を省略している。

磁極２２ａ，２２ｂは、いずれも内側（内径側）に突出し、互いに対向している。このように、磁極数は２である。磁極２２ａ，２２ｂの内側（内径側）の形状は、ロータコア１２の外形に沿った円弧状である。空隙２０は、磁極２２ａ，２２ｂとロータコア１２との間の間隔で決まる。空隙２０の間隔はｇで表されている。磁極２２ａ，２２ｂの長辺方向の中央部における幅ε（第２の幅）は幅Ｗ（第１の幅）よりも短寸である。

界磁巻線１０は、ステータコア９の２つの磁極２２ａ，２２ｂの周りに巻回されている。具体的には、磁極２２ａの一方の先端部（内径側に突設した部位）と短辺部９ｃとの間の空間（隙間α）、磁極２２ａの他方の先端部（内径側に突設した部位）と短辺部９ｄとの間の空間（隙間α）、磁極２２ｂの一方の先端部（内径側に突設した部位）と短辺部９ｃとの間の空間（隙間α）、及び磁極２２ｂの他方の先端部（内径側に突設した部位）と短辺部９ｄとの間の空間（隙間α）を利用して界磁巻線１０が巻装されている。コイルエンド１０ａ，１０ｂは、磁極２２ａ，２２ｂの各両脇を最短経路の直線状で結ぶとロータ８と干渉してしまうため、円弧状に長辺部９ａ，９ｂの外側に迂回させることでこれを回避している。

長辺部９ａの外側とフレーム６の内側との間には風路２５ａが設けられ、長辺部９ｂの外側とフレーム６の内側との間には風路２５ｂが設けられ、短辺部９ｃの外側とフレーム６の内側との間には風路２５ｃが設けられ、短辺部９ｄの外側とフレーム６の内側との間には風路２５ｄが設けられている。風路２５ａ〜２５ｄには、ファン４の回転に伴いブロワ部２からファンガイド５を介して案内された空気が通流する。界磁巻線１０のコイルエンド１０ａ，１０ｂは長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂにそれぞれ面している。なお、風路は、ロータコア１２と短辺部９ｃとの間の空間及びロータコア１２と短辺部９ｄとの間の空間にも設けられる。

本実施の形態では、ステータコア９の外形の長辺の長さＡ、短辺の長さＢ、長辺部９ａ，９ｂの幅Ｗ、ロータコア１２の外径ｄ、空隙２０の間隔ｇ、フレーム６の内径Ｄに対して、
ｄ＋２ｇ＜Ｂ≦ｄ＋２ｇ＋２Ｗ ・・・ （式１）
となるようにＢを設定している。この理由は以下の通りである。

ステータコア９の外形の投影面積Ｓは、
Ｓ＝Ａ×Ｂ ・・・ （式２）
である。投影面積の中には界磁巻線１０（例えば銅）や隙間（空気）等の断面も含まれるものの、大局的に見れば整流子モータ３の軽量化はＳの値を小さくすることと考えて良い。ステータコア９はフレーム６に内接するので、次の式がほぼ成り立つ。
Ａ^２＋Ｂ^２＝Ｄ^２ ・・・ （式３）

（式２）と（式３）から、
Ｓ＝（Ｄ^２―Ｂ^２）^０．５×Ｂ
となるので、次式が成り立つ。
Ｓ＝Ｄ^２×（１―（Ｂ／Ｄ）^２）^０．５×（Ｂ／Ｄ） ・・・ （式４）

（式４）から（Ｂ／Ｄ）を変数としてＳと（Ｂ／Ｄ）の関係を示したのが図３である。図３に示すように、Ｓの値は（Ｂ／Ｄ）の値が√０．５のとき、つまりステータコア９の外形が正方形のときに最大となり、（Ｂ／Ｄ）の値が０又は１に近付くほど小さくなる。（Ｂ／Ｄ）の値を０に近付けることはＢを小さくすることに、１に近付けることはＡを小さくすることに相当する。

Ａを小さくした場合、長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂの各断面積が減り、短辺部９ｃ，９ｄの外側の風路２５ｃ，２５ｄの各断面積が増える。界磁巻線１０のコイルエンド１０ａ，１０ｂは長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂにそれぞれ面しているため、Ａを小さくした場合は、界磁巻線１０の冷却効率は低下する。

また、一般的に界磁巻線１０の巻装作業は、磁極２２ａ，２２ｂにフォーマと呼ばれるツールを被せ、界磁巻線１０をフォーマ上を滑らせながら隙間αから磁極２２ａ，２２ｂの根元側へ挿入することで行う。Ａを小さくすると隙間αが狭くなり、界磁巻線１０の充填率（スペースファクタ）が低くなってモータ効率の低下を招く。なお、図７では、Ｂ＞Ａとした場合の図２に相当する構成を示している。図７に示すように、Ａを小さくした場合は、隙間αが小さくなり、この隙間αを利用した界磁巻線１０の巻装が困難になることがわかる。

Ｂを小さくした場合、長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂの各断面積が増え、短辺部９ｃ，９ｄの外側の風路２５ｃ，２５ｄの各断面積が減る。界磁巻線１０のコイルエンド１０ａ，１０ｂは長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂにそれぞれ面しているため、Ｂを小さくした場合は、界磁巻線１０の冷却効率は向上する。従ってＡよりもＢを小さくするほうが有利である。

Ｂを小さくする限界は磁極２２ａ，２２ｂの中央部の幅（肉厚）εの必要長さで決まる。磁束は磁極２２ａ，２２ｂの中央付近で左右に分かれるため、中央付近はステータコア９の他の部分に比べて磁束密度が低い。ただし、界磁巻線１０で生じる磁束は左右対称であるが、電機子巻線１７で生じる磁束があるため、合成された磁束密度の分布は左右対称とならず、回転方向に対して後ろ側にずれる。このずれにより磁極２２ａ，２２ｂの中央付近をわずかに磁束が通るため、その磁束に応じた幅（肉厚）ε（当然ながら最大でもＷよりは小さい）が必要である。また、ステータコア９の強度を確保する上での最低限の幅（肉厚）εが必要である。よってεは、
０＜ε≦Ｗ ・・・ （式５）
の範囲から選ぶのが適切である。一方、Ｂは、
Ｂ＝ｄ＋２ｇ＋２ε ・・・ （式６）
で表される。よって、（式５）と（式６）から得られる（式１）でＢを規定することが適切となる。

以上の構成により、整流子モータ３の軽量化を図りつつも、磁極２２ａ，２２ｂの背面側の風路断面積が大きくなって風量が増えることで近傍にある界磁巻線１０の冷却性が良くなり、モータ効率の低下を抑制できる。

実施の形態２．
図４は、本実施の形態における整流子モータ３の主要部をファン４側の軸方向から視た図である。なお、図１の構成については実施の形態１と同様である。図４は、図２にブラケット２１を加えた図である。ただし、フレーム６は、図２と異なり断面でない。なお、図４では、図１及び図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。

図４に示すように、本実施の形態では、ブロワ部２側のベアリング１４を収納するブラケット２１は、フレーム６の開口部を横断する方向（ブラケット２１の長手方向）が磁極２２ａ，２２ｂを備える長辺部９ａ，９ｂに略平行となるように配置されている。ブラケット２１のこのような配置構成には、以下に説明する長所がある。

図４の斜線部は、風路のうちブラケット２１により塞がれる部分を示したものである。塞がれる部分は短辺部９ｃ，９ｄの外側の風路２５ｃ，２５ｄだけとなり、長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂは全く塞がれない。短辺部９ｃ，９ｄとフレーム６との隙間は長辺部９ａ，９ｂとフレーム６との隙間より狭いので、ブラケット２１がフレーム６の開口部を横断する方向（ブラケット２１の長手方向）が長辺部９ａ，９ｂに略直交となるように配置した場合よりも略平行となるように配置した方が、風路が塞がれる部分は小さくなる。また、図４の構成では、ブラケット２１は界磁巻線１０の軸方向を遮らない。

以上の構成により、ブラケット２１により塞がれる風路断面積を小さく抑えることができる。また、ブラケット２１は界磁巻線１０の軸方向を遮らないので、界磁巻線１０に軸方向から直接当たる冷却風を邪魔しない。本実施の形態のその他の構成、作用、効果は実施の形態１と同様である。

実施の形態３．
図５は、本実施の形態に係る電動送風機１の整流子モータ３のブラシ１９の位置における横断面図である。なお、本実施の形態の電動送風機１の概略構造及び整流子モータ３の構成は実施の形態１と同様である（図１及び図２参照）。また、図５では、図１及び図２と同一の構成要素には同一の符号を付している。なお、図８は別のブラシ１９の配置を示す電動送風機１の整流子モータ３のブラシ１９の位置における横断面図である。

本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、図５に示すように、整流子１３に接触するブラシ１９を長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂ上に配置している。すなわち、フレーム６の軸方向から平面視したときに、ブラシ１９は短辺部９ｃ，９ｄと略平行に風路２５ａ，２５ｂを横断するように配置されている。

したがって、図８ではブラシ１９に触れる冷却風が少なかったが、以上の構成により、実施の形態１の効果に加えて、風路断面積が大きくなって風量が増えた長辺部９ａ，９ｂの外側の風路２５ａ，２５ｂ上にブラシ１９を配置することにより、ブラシ１９に触れる冷却風の風量も多くなり、冷却性が向上する。ブラシ１９と整流子１３との接触部では整流火花が発生するため、高温となっている。一般に温度が高いほどブラシ１９の摩耗が速く進行するため、ブラシ１９の冷却性を向上することでブラシ１９の長寿命化を図ることができる。なお、本実施の形態と実施の形態２を組み合わせることもできる。

実施の形態４．
図６は、本実施の形態に係る整流子モータ３の主要部をファン４側の軸方向から視た図であり、磁化容易方向を矢印で示した図である。また、図６では、２点鎖線は左半分側の磁路の大まかな中心線を示している。

本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、図６に示すように、ステータコア９の材料の磁化容易方向を、長辺部９ａ，９ｂに略平行となるようにしている。

ステータコア９を通る磁路の長さはおおよそ、磁化容易方向に平行な方向でＬ１＝Ａ−Ｗ、磁化容易方向に直交する方向でＬ２＝Ｂ−Ｗとなる。Ａ＞Ｂに対しては、Ｌ１＞Ｌ２となる。つまり、ステータコア９における全磁路長に占める割合が、磁化容易方向に平行な磁路の長さ＞磁化容易方向に直交する磁路の長さとなるため、モータ効率の向上を図ることができる。本実施の形態のその他の構成、作用、効果は実施の形態１と同様である。また、本実施の形態と実施の形態２，３を組み合わせることもできる。

本発明は、例えば電気掃除機用の電動送風機に適している。

１ 電動送風機、２ ブロワ部、３ 整流子モータ、４ ファン、５ ファンガイド、６ フレーム、７ ステータ、８ ロータ、９ ステータコア、９ａ，９ｂ 長辺部、９ｃ，９ｄ 短辺部、１０ 界磁巻線、１０ａ，１０ｂ コイルエンド、１１ シャフト、１２ ロータコア、１２ａ ティース部、１２ｂ スロット部、１３ 整流子、１４，１５ ベアリング、１６ 端部、１７ 電機子巻線、１８ セグメント、１９ ブラシ、２０ 空隙、２１ ブラケット、２２ａ，２２ｂ 磁極、２５ａ〜２５ｄ 風路。

Claims (4)

1. 筒状のフレームと、
   前記フレームの軸方向に垂直な断面の形状が環状でかつ外形形状が略長方形であって、前記長方形の短辺方向に延伸する一対の短辺部と当該一対の短辺部間に配置されて前記長方形の長辺方向に延伸し内側に一対の磁極が設けられた一対の長辺部とを有して成るとともに、前記フレームに内接し固定されたステータコアと、
   前記一対の磁極に巻装され、一対のコイルエンドがそれぞれ前記一対の長辺部の外側を迂回するように配置された界磁巻線と、
   前記ステータコアの内側に空隙を介して対向して回転自在に配置されシャフトに固定された環状のロータコアと、前記ロータコアに巻装された電機子巻線と、前記シャフトに固定され前記電機子巻線に接続された整流子とを有するロータと、
   前記ロータの回転に伴って回転するファンと、
   前記ファンの回転に伴う空気の流れを前記フレームと前記一対の長辺部との間に設けられた一対の第１の風路および前記フレームと前記一対の短辺部との間に設けられた一対の第２の風路に導くファンガイドと、
   を備え、
   前記一対のコイルエンドはそれぞれ前記一対の第１の風路に面しており、
   前記各長辺部では、当該長辺部に設けられた前記磁極の両側における第１の幅が当該磁極の中央部における第２の幅よりも大きく、
   前記ステータコアの外形の短辺の長さをＢ、前記一対の長辺部の前記第１の幅をＷ、前記ロータコアの外径をｄ、前記空隙の間隔をｇとしたときに、
   ｄ＋２ｇ＜Ｂ≦ｄ＋２ｇ＋２Ｗ
   が成り立つようにＢが設定されていることを特徴とする電動送風機。
2. 前記シャフトは一対のベアリングにより支持され、
   前記ファン側のベアリングを収納するブラケットが前記フレームの開口部を横断して架橋するように設けられ、
   前記ブラケットは、前記開口部を横断する方向であるその長手方向が前記一対の長辺部に略平行となるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電動送風機。
3. 前記整流子に摺動接触し前記整流子を介して前記電機子巻線に電気的に接続されたブラシが設けられ、
   前記ブラシは、前記一対の第１の風路を横断するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動送風機。
4. 前記ステータコアの材料の磁化容易方向が前記一対の長辺部に略平行となるようにされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動送風機。