JP5865865B2 - 電動送風機及び電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、電動送風機及び電気掃除機に関する。

電気掃除機等に搭載されるブロワ部とモータが一体の電動送風機は、高回転数（毎分３００００〜４５０００回転）で使用されるため、磁極が２つで界磁巻線を備えるステータと、該ステータの内側にあって電機子巻線と整流子を備えるロータと、により構成される整流子モータが使われる。

従来の電動送風機では、外形が略正方形を成すヨークから内側に突出して、磁極角である中心角（磁極先端の円弧の両端と軸中心を結ぶ２直線のなす角度）が１２０°〜１４０°とされている。界磁巻線は該磁極の周囲に巻装されており、該磁極の左右両側の間を渡るコイルエンドを最短経路の直線で結ぶとロータに干渉してしまうため、コイルエンドは外径側に湾曲させて迂回させた構成である。

また、界磁巻線が巻かれる磁極の左右の側面は平行ではなく内径側に広がった形状であり、その外側をヨークが囲むため、巻装時には、磁極先端とヨークの間の開口部からワイヤを滑り込ませ、ワイヤの張力を利用して磁極の根元に巻き付かせる。そのため、巻線の並び方の制御ができず、巻線を規則的に整然と高密度に並べること（整列巻線）が困難であり、巻線占積率（巻線を配置するために用意されたスペースに対し、実際に巻装された巻線が占める割合）が低い。また、巻線長が長くなるため、電動送風機の電力効率の向上が妨げられている。

そこで、例えば特許文献１には、ステータコアを磁極の根元で分割した分割コアとし、ステータコアの外で予め型巻成形またはボビン巻で高密度に巻装された巻線（１つの部品状態）を、分割された単独の磁極に組み付けることにより巻線占積率を向上する技術が開示されている。

特開２０１０−２００４６７号公報

しかしながら、上記従来の技術によっても、界磁巻線は依然として中心角の大きい磁極のまわりに巻装されており、磁極の左右両側の間を渡るコイルエンドは外径側に湾曲させて迂回させねばならない。

また、コイルエンドの湾曲と整列巻線を両立させるためには、まずはコイルエンドを湾曲させずに整列巻線を実施し、その後コイルエンドだけを湾曲させるよう変形させなければならない。

しかしながら、コイルエンドを変形させる際には巻線の並びが崩れ、絶縁皮膜を傷付けるリスクがある。さらには、コイルエンドを変形させた後にはワニスや自己融着線（熱融着する樹脂が予め表面に塗布されたワイヤ）を用いるなどして巻線同士を固着する必要があるため、生産性が低く、コストが高い、という問題があった。

また、家庭用の電気掃除機に搭載される電動送風機においては、ステータコアの軸方向高さが磁極の内径に対して約１／３〜１／２と短く、コイルエンドの長短が電動送風機の電力効率に大きく影響する。すなわち、コイルエンドを外径側に湾曲させて迂回させると、コイルエンドが長くなり、電力効率が低下する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低コスト且つ高い生産性で製造することが可能であり、整列された界磁巻線を備える高効率な電動送風機を得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、本発明は、ロータと、該ロータを囲み、ステータコアに巻装された界磁巻線を備えるステータと、を有する整流子モータを備える電動送風機であって、前記ステータコアは、対向する２つのＣ字形状部及び対向する２つのコの字形状部が開放側を内側にして並ぶことで、外形が前記コの字形状部により形成される対向する２つの凸部を有する環状体であり、対向する前記２つのＣ字形状部の間には空隙を介して前記ロータが配置され、前記２つのコの字形状部により形成される前記２つの凸部のそれぞれは、略平行な２つの直線部と、該２つの直線部を端部で架橋するブリッジと、により構成され、前記２つのコの字形状部のそれぞれと前記ロータとの間に、巻装された前記界磁巻線が配されている。

本発明によれば、低コスト且つ高い生産性で製造することが可能であり、整列された界磁巻線を備える高効率な電動送風機を得ることができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態に係る電動送風機の構造の概略を示す縦断面図である。 図２は、実施の形態に係る整流子モータの主要部を説明する図である。 図３は、実施の形態に係るステータコアを示す図である。 図４は、実施の形態に係るステータコアと界磁巻線の断面図であって、図２の点線矩形領域を拡大した図である。 図５は、実施の形態に係るステータコアの直線部と比較例の直線部を比較する断面図である。 図６は、実施の形態に係る界磁巻線の１層目を配する面に突起または溝が設けられている形態を示す図である。 図７は、実施の形態に係るステータコアを示す図であって、直線部とＣ字形状部の境界近傍に分割位置を有するステータコアを示す図である。 図８は、実施の形態に係るステータコアを示す図であって、直線部とブリッジの境界近傍に分割位置を有するステータコアを示す図である。 図９は、実施の形態に係る巻装として、スピンドル巻線方式を説明する模式図である。 図１０は、実施の形態に係る整流子モータの主要部における電磁界解析による磁束線を示す図である。

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．
図１は、本実施の形態に係る電動送風機の構造の概略を示す縦断面図である。図１に示す電動送風機１は、例えば電気掃除機に適用することができ、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と、により構成される。

ブロワ部２は、ファン４及びファンガイド５を備える。ファン４は、複数の翼を備える。ファンガイド５は、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の内部に導く。なお、このファン４の回転に伴って通流する空気は、ファンガイド５によって誘導されて、運転により発熱した整流子モータ３を冷却し、整流子モータ３のフレーム６に設けられた開口部（図示せず）から排出される。

整流子モータ３は、ステータ７とロータ８を備える。ステータ７は、筒状のフレーム６の内側に固定されて界磁として機能する。ロータ８は、ステータ７の内側に空隙２０を介して対向して配置されており、回転自在に支持されて電機子として機能する。

ステータ７は、ステータコア９と界磁巻線１０を備える。ステータコア９は、電磁鋼板が複数枚積層して固着された構成である。界磁巻線１０は、ステータコア９に絶縁部材（図２の絶縁部材２４）を介して巻装されており、界磁巻線１０に電流が流れると、ステータ７の内側に磁界が発生する。

ロータ８は、シャフト１１と、ロータコア１２と、電機子巻線１７と、セグメント１８と、整流子１３と、を備える。シャフト１１は、ロータ８の中心に配置されている。ロータコア１２は、シャフト１１の周りに固定されており、電磁鋼板が複数枚積層して固着された環状の構造である。電機子巻線１７は、ロータコア１２に絶縁部材（図２の絶縁部材２２）を介して巻装されており、ウェッジ２３（図２を参照）により固定されている。セグメント１８は、整流子１３に備えられている。整流子１３は、ロータコア１２と離隔して配置されており、シャフト１１の周りに固定されている。ロータ８は、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ている。

ベアリング１４は、ブロワ部２側に配置され、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に収納されている。ベアリング１５は、ブロワ部２の反対側に配置され、フレーム６の底（ブロワ部２側からみて奥側）に収納されている。

シャフト１１のブロワ部２側のシャフト端部１６にはファン４が固定されており、ロータ８が回転すると、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）と終端（巻き終わり）は、整流子１３のセグメント１８に電気的に接続されている。複数のコイルの始端（巻き始め）及び終端（巻き終わり）と、セグメント１８との接続は、例えば、ヒュージング（熱かしめ）等により行えばよい。

一対のブラシ１９は、フレーム６に保持されており、バネで整流子１３に押し付けられて摺動接触し、電源（図示せず）に接続されている。一対のブラシ１９が接触する整流子１３のセグメント１８が順次切り替わることで、通電電流を切り替えつつ電機子巻線１７に電流（電機子電流）を供給する。

図１に示す構成では、ステータ７が発生する磁界と電機子電流により、ロータ８に回転トルクが発生する。電機子巻線１７とセグメント１８は、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接続されている。

図２は、本実施の形態に係る整流子モータ３の主要部を説明する図である。図２は、ブロワ部２側（シャフト端部１６側）の軸方向から整流子モータ主要部を観察したものであって、フレーム６，ロータ８，界磁巻線１０の一部については断面を示している（例えば、図２中左下のハッチ部）。なお、観察方向は、図１に矢印にて示されている。そして、図３は、本実施の形態に係るステータコア９を示す図である。

ステータコア９は、２つのＣ字形状部９Ａ，９Ｃ及び２つのコの字形状部９Ｂ，９Ｄにより構成されている。２つのＣ字形状部９Ａ，９Ｃ及び２つのコの字形状部９Ｂ，９Ｄは、開放部を内側にしてこの順に環状に並べられており、Ｃ字形状部９Ａ，９Ｃのそれぞれの端が隣接するコの字形状部９Ｂ，９Ｄに接続され、環状体が形成されている。対向するＣ字形状部９Ａ，９Ｃの内側には、所定の空隙２０を介してロータ８が対向して配置されている。なお、２つのＣ字形状部９Ａ，９Ｃ及び２つのコの字形状部９Ｂ，９Ｄは、磁路幅、コア長及び空隙長などによって決まる最適な磁極角に応じた形状とすればよく、例えば、磁極角は１２５°以上１４５°以下とすればよい。最適な磁極角に応じた形状とすることで、電力効率が向上する。

コの字形状部９Ｂ及びコの字形状部９Ｄは、外側に突き出した形状である。コの字形状部９Ｂでは、内側から外側に向かって延びる略平行な２つの直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂが、ブリッジ９Ｂｃによって繋がれている。同様に、コの字形状部９Ｄでは、内側から外側に向かって延びる略平行な２つの直線部９Ｄａと直線部９Ｄｂが、ブリッジ９Ｄｃによって繋がれている。なお、略平行については、後に説明する。

コの字形状部９Ｂの内側とロータ８の外周の間にはスペース３０があり、コの字形状部９Ｄの内側とロータ８の外周の間にはスペース３１があり、直線部９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂには、界磁巻線１０が、絶縁部材２４を介してトロイダル巻にて巻装されている。スペース３０，３１には、巻装された界磁巻線１０が配される。

したがって、図３に示すステータコア９は、スペース３０，３１と、直線部９Ｂａを軸としてスペース３０と線対称の位置にあるスペース３２と、直線部９Ｂｂを軸としてスペース３０と線対称の位置にあるスペース３３と、直線部９Ｄａを軸としてスペース３１と線対称の位置にあるスペース３４と、直線部９Ｄｂを軸としてスペース３１と線対称の位置にあるスペース３５と、を巻線配置領域とする。

また、図３において、スペース３０の電流の方向とスペース３１の電流の方向は逆向きであり、スペース３０の電流の方向とスペース３２及びスペース３３の電流の方向は逆向きであり、スペース３１の電流の方向とスペース３４及びスペース３５の電流の方向は逆向きである。

なお、図３では、スペース３０の界磁巻線１０の電流の方向は紙面裏側から紙面表側に向かう方向であり、スペース３１の界磁巻線１０の電流の方向は紙面表側から紙面裏側に向かう方向であるが、本発明はこれに限定されない。スペース３０の界磁巻線１０の電流の方向が紙面表側から紙面裏側に向かう方向であり、スペース３１の界磁巻線１０の電流の方向は紙面裏側から紙面表側に向かう方向であってもよい。

このように、図３に示す構成では、ロータ８との干渉を回避するために界磁巻線１０のコイルエンドを湾曲させる必要がない。

さらには、本実施の形態においては、界磁巻線１０が巻装されて対向する２つの直線部が略平行であるため、整列巻線を容易に行うことができ、省スペース化が可能である。

ここで、界磁巻線１０が巻装される部分について詳細に説明する。図４は、図２の点線矩形領域を拡大した、ステータコア９と界磁巻線１０の断面図である。

通常、一般に用いられる円断面のワイヤを高密度に配置する場合には、線径ｄのワイヤを１層目としてほぼ隙間無く並べる。１層目の配置を終えて１段上の層（２層目）に移行する時には１ターン前のワイヤに交差しつつワイヤの方向を変えるという制御が必要である。

本実施の形態においては、図４に示すように、絶縁部材２４が壁面２４ａ，２４ｂを備え、ワイヤが壁面２４ａ，２４ｂの間に収納される形態であるため、この制御を容易に行うことができる。

そして、２層目以降では、１段下の層のワイヤ間に形成される凹部にワイヤを乗せて俵積みすることで、位置ずれを防止しつつ整列巻線を容易に行うことができる。

したがって、１層目を置く面は、ワイヤが並ぶ方向に沿って直線状であるとよい。

また、例えばスペース３０では直線部９Ｂａに巻装される巻線と直線部９Ｂｂに巻装される巻線が隣接しているが、この両者の隙間が小さいほど巻線占積率が高くなり、高効率となる。

本実施の形態にて説明したように直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂが略平行であると、この隙間を小さくすることができる。

図５は、本実施の形態のステータコア９の直線部と比較例の直線部を比較する断面図である。図５（ａ）は、直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂが略平行である形態（本実施の形態）の断面図を示し、図５（ｂ）は、直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂが略平行ではない形態（比較例）の断面図を示す。

図５（ａ）では、直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂが略平行であるため、単純にワイヤを俵積みしていくことで最上層同士も略平行となり、最上層間の隙間３６を小さくすることが容易である。

しかしながら、図５（ｂ）では、直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂが略平行ではないため、単純にワイヤを俵積みしていくと最上層同士も略平行にならない。そのため、ブリッジ９Ｂｃ近傍ではワイヤの巻数を減らし、且つ配置を調整することを要する。したがって、最上層間の隙間３６を小さくすることが困難である。

すなわち、本明細書においては、１つのコの字形状部の２つの直線部間のワイヤの巻数が同数であって、ワイヤの巻数が図５（ｂ）中の点線丸のようにもう１層増加させると最上層のワイヤ同士が接してしまう上限であって、２つの直線部に巻装した界磁巻線のワイヤの巻数（層の数）が該直線部の全領域で等しくなるとき、２つの直線部が略平行であるとする。

なお、上記の説明ではスペース３０を例示して説明したが、スペース３１についても同様であり、直線部９Ｄａと直線部９Ｄｂを略平行にすると最上層間の隙間を小さくすることができる。

上記説明したように、直線部９Ｂａと直線部９Ｂｂを略平行にし、直線部９Ｄａと直線部９Ｄｂを略平行にすると、隣接する巻線間のスペースを小さくすることができる。

ところで、図４では、界磁巻線１０の１層目を配する面が平坦である形態を説明したが、本発明はこれに限定されない。

図６は、界磁巻線１０の１層目を配する面に突起または溝が設けられている形態を示す図である。図６に示す形態では、１層目を配する面には、１段下の層のワイヤ同士の間の凹部に代えて、絶縁部材２４にワイヤの並びに沿った突起３７（または溝）が設けられている。図６に示す形態とすることで、界磁巻線１０の位置ずれを防止することができる。

なお、図６に示す形態では、突起３７（または溝）の間隔はワイヤの線径ｄでなくてもよく、１層あたりの巻数が巻線配置領域の寸法に適合するように隣接するワイヤ間の間隔ｓを調整して設計することもできる。

以上説明したように、本実施の形態の電動送風機では、ロータとの干渉を回避するための界磁巻線のコイルエンドを湾曲させる必要がなく、界磁巻線を巻装する部分が略平行な２つの直線部であることで、整列巻線が容易で無駄なスペースを減らすことができ、小型化が可能となる。

なお、ステータコア９は、上記構成に限定されず、分割コアであってもよい。ステータコア９が分割コアである場合には、分割位置は、図７及び図８に示すように、直線部９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂの端部近傍にあるとよい。

図７は、直線部９Ｂａ，９ＤａとＣ字形状部９Ａの境界近傍と、直線部９Ｂｂ，９ＤｂとＣ字形状部９Ｃの境界近傍に分割位置３８ａ〜３８ｄを有するステータコア９を示す図である。

図８は、直線部９Ｂａ，９Ｂｂとブリッジ９Ｂｃの境界近傍と、直線部９Ｄａ，９Ｄｂとブリッジ９Ｄｃの境界近傍に分割位置３８ａ〜３８ｄを有するステータコア９を示す図である。

なお、ステータコア９が分割コアである場合には、複数の分割コアを組んで固定する手段は特定のものに限定されない。複数の分割コアを組んで固定する手段としては、例えば、嵌合部を設けることによる圧入または溶接などが挙げられる。図７及び図８においては、直線部９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂに嵌合部の凸部が設けられているが、これに限定されず、直線部９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂに嵌合部の凸部が設けられていてもよい。

図７及び図８に示すように、ステータコア９を分割コアとすると、界磁巻線１０が巻装された絶縁部材２４を直線部９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂに嵌め込んで、ステータコア９に界磁巻線１０を巻装することが可能となる。

または、直線部９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂに絶縁部材２４を装着して界磁巻線１０を巻装してもよい。

このように、ステータコア９として分割コアを採用すると、別途、巻線工程を行った後に、巻線された複数の分割コアを組んで固定すればよいため、巻線工程が行いやすく、生産性を高くすることができる。

また、ステータコア９として分割コアを採用すると、スピンドル巻線方式による巻装も可能となる。そのため、ワイヤに平角線を用いた場合であっても、整列巻線を容易に行うことができる。

なお、図示していないが、ステータコア９が、図７に示す分割位置と図８に示す分割位置の双方に分割位置を備えていてもよい。

図９は、スピンドル巻線方式を説明する模式図である。図９に示すように、スピンドル巻線方式では、巻枠（ボビン）となる絶縁部材２４が取り付けられた回転軸３９を回転させつつ、ノズル及びローラガイドなどのワイヤ位置ガイド４０を制御しつつ左右に動かすことで、ワイヤ４１を絶縁部材２４に巻き付けていく。回転軸３９を回転させつつ、ワイヤ位置ガイド４０の位置をサーボモータ等により高速及び高精度に制御することで、短時間で整列巻線を行うことが可能となる。

なお、図６に示すように、巻枠（ボビン）となる絶縁部材２４の底に突起または溝が設けられていると、ワイヤの位置ずれを防止することができる。

ところで、図３に示すステータコア９では、ブリッジ９Ｂｃ，９Ｄｃにおける磁路の方向が他の部分（直線部等）における磁路の方向に対してほぼ直角であるため、ブリッジ９Ｂｃ，９Ｄｃとその他の部分の磁化容易方向を一致させることが困難である。

しかしながら、図８に示すように、ステータコア９として分割コアを採用すると、ステータコア９の磁化容易方向を分割部位ごとに磁路の方向に合わせることができるため、電動送風機の電力効率向上を図ることができる。なお、ステータコア９は方向性電磁鋼板により形成してもよいし、無方向性電磁鋼板により形成してもよいが、方向性電磁鋼板により形成すると圧延方向を磁化容易方向とすることができる。

上記説明したように、ステータコア９として分割コアを採用すると、電動送風機１の生産性を向上させ、電力効率を向上させることができる。

なお、ステータコア９は、図１に示すように、コの字形状部９Ｂ，９Ｄのそれぞれのブリッジ９Ｂｃ，９Ｄｃの外側の少なくとも一部をフレーム６の内周に沿って円弧状にし、フレーム６に固定すればよい。ステータコア９をフレーム６に固定する手段としては、例えば、圧入、溶接または焼き嵌めなどが挙げられる。

上記説明したような構成とすると、界磁巻線１０が冷却風路に曝され、界磁巻線１０は冷却風の流れに沿った方向に並ぶことになる。そのため、界磁巻線１０の冷却を効率的に行うことができ、巻線抵抗の上昇を抑制し、電動送風機１の電力効率向上を図ることができる。

なお、上記説明した図においては、ステータコア９の各部の幅（磁路幅）はほぼ均一なものとしているが、本発明はこれに限定されず、ステータコア９の各部の幅（磁路幅）は均一にしなくてもよい。

図１０は、整流子モータ３の主要部における電磁界解析による磁束線を示す図である。図１０に示すように、磁束はロータ８のコア（シャフト１１及びロータコア１２）からステータコア９に入って左右に分かれ、磁極の背面に磁束密度の低い部分４２ａ，４２ｂが形成されている。磁束密度の低い部分４２ａ，４２ｂでは、磁路幅を狭くしてもモータの電力効率への影響は小さいため、この部分の磁路幅を狭くすることでモータの電力効率の低下を抑制しつつ、ステータコア９の軽量化を図ることが可能となる。

なお、磁路幅を狭くする部分はこれに限定されず、例えば、Ｃ字形状部９Ａ，９Ｃの中央部を狭くしてもよい。Ｃ字形状部９Ａ，９Ｃの中央部を狭くすることで、ステータコア９の小型化及び軽量化が可能となる。

以上のように、本発明に係る電動送風機は電気掃除機に有用である。

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，９Ｃ Ｃ字形状部、９Ｂ，９Ｄ コの字形状部、９Ｂａ，９Ｂｂ，９Ｄａ，９Ｄｂ 直線部、９Ｂｃ，９Ｄｃ ブリッジ、１０ 界磁巻線、１１ シャフト、１２ ロータコア、１３ 整流子、１４，１５ ベアリング、１６ シャフト端部、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、２２，２４ 絶縁部材、２３ ウェッジ、２４ａ，２４ｂ 壁面、３０〜３５ スペース、３６ 隙間、３７ 突起、３８ａ〜３８ｄ 分割位置、３９ 回転軸、４０ ワイヤ位置ガイド、４１ ワイヤ、４２ａ，４２ｂ 磁束密度の低い部分。

Claims (5)

1. ロータと、該ロータを囲み、ステータコアに巻装された界磁巻線を備えるステータと、を有する整流子モータを備える電動送風機であって、
   前記ステータコアは、
   対向する２つのＣ字形状部及び対向する２つのコの字形状部が開放側を内側にして並ぶことで、外形が前記コの字形状部により形成される対向する２つの凸部を有する環状体であり、
   対向する前記２つのＣ字形状部の間には空隙を介して前記ロータが配置され、
   前記２つのコの字形状部により形成される前記２つの凸部のそれぞれは、略平行な２つの直線部と、該２つの直線部を端部で架橋するブリッジと、により構成され、
   前記２つのコの字形状部のそれぞれと前記ロータとの間に、巻装された前記界磁巻線が配されている電動送風機。
2. 前記２つのコの字形状部の略平行な前記２つの直線部のそれぞれには、トロイダル巻にて界磁巻線が巻装されている請求項１に記載の電動送風機。
3. 前記２つのコの字形状部の略平行な前記２つの直線部のそれぞれに巻装された界磁巻線に流れる電流の向きは、前記ロータの回転軸を対称点として点対称な位置では互いに逆向きである請求項１または請求項２に記載の電動送風機。
4. 前記ステータコアは、前記２つのコの字形状部の略平行な前記２つの直線部と前記ブリッジとの境界に分割位置を有する分割コアである請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電動送風機。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電動送風機が搭載された電気掃除機。

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