JP6591383B2 - 交流整流子電動機 - Google Patents

Description

本発明は、交流整流子電動機に関するものである。

電気掃除機に使用される交流整流子電動機は、主に、環状の固定子と、この固定子の内側に対向して形成される磁極部間に配置される電機子で構成されている。この種の交流整流子電動機では、常に小形、軽量、高効率化、カーボンブラシの長寿命化が要求されている。その中でも例えば、電気掃除機はごみの吸込力が製品仕様において重要なファクターであり、また近年の省エネの動向も相まって高効率化は大事な成果の一つである。さらに電気掃除機で使用する際は、吸口の塞がり具合によって風量の変化があり、それに伴って交流整流子電動機の回転数が変化する。とりわけ吸口が塞がった状態では風量が小さいため、交流整流子電動機としては軽負荷での運転となり、電動機によっては５００００ｒｐｍ付近まで高速回転する。この高速回転では整流子電動機の寿命を担っているカーボンブラシにおいて、機械的に接触している整流子との摩擦損が増加するため摩耗量が増加するほか、電気的にも整流期間が短くなることで整流悪化となり、整流火花を生じて摩耗量が増加する懸念がある。そのため、高効率かつ高速回転においてもカーボンブラシの長寿命化を達成する交流整流子電動機を提案する必要がある。

高効率化とカーボンブラシの長寿命化は、電機子反作用の低減により達成できる。電機子反作用は、回転する電機子が発生させる磁界が固定子の磁極部から発生する磁界に対して影響を与える現象である。これが交流整流子電動機の高効率化、ブラシの長寿命化に対して悪影響を及ぼしている。

この電機子反作用を低減するための技術として、電動機に取り付けるカーボンブラシの位置の工夫により、整流子とカーボンブラシの接触による整流性能を調整し、固定子鉄心の磁極部先端の、電機子の回転後進側（増磁側）の鉄心幅を、電機子の回転前進側（減磁側）に対して広くし、或いは磁極部につながるヨーク部は、増磁側のヨーク幅を、減磁側のヨーク幅に対して狭め、さらに固定子鉄心磁極部の減磁側に対して、磁束の流れを妨げないように磁束密度の疎となり得る箇所に貫通穴となるスリットを設ける構造が提案されている（特許文献１）。

特開２００３−１５３４７１号公報

上述した特許文献１では、電機子反作用の低減ができるものの、固定子鉄心形状は中心点を通る中心軸から見ると非対称の形状となる。そのため、巻線性や巻線の占積率の確保が問題となる。対策としてヨーク部に固定子鉄心を２分割できるような分割部を設けることなどがあるが、巻線後にヨーク部の組立作業が追加となるため。生産タクトの増加を招く。またそうしない場合には、巻線の占積率が低下し、トルクの低下などを招いてしまう恐れがある。

本発明の目的は、固定子鉄心の形状に普遍的に適用でき、その上で電機子反作用を低減し、トルクや整流性能を向上することで、カーボンブラシの長寿命化と高効率化が達成できる交流整流子電動機を提供することにある。

本提案は、略環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部と、前記磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、前記シャフトに固定された電機子鉄心と、前記電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、前記電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシとを有した交流整流子電動機において、前記固定子は原点を通る中心軸に対称の形状を有しており、前記磁極部の中心にスリットが配置され、前記スリットは、前記磁極部外周側は中心軸に対し対称の形状であるが、前記スリットの増磁側のスリット辺は、前記磁極部外周側から中心軸に平行に形成され、途中に中心軸に向かう傾斜辺を形成する１つの頂点Ａを有しており、前記磁極部内周側は、中心軸に非対称な形状で構成される交流整流子電動機によって解決することができる。

本発明によれば、電機子反作用を低減し、トルクと整流性能を向上させることで、高効率かつカーボンブラシの長寿命化できる交流整流子電動機を提供することができる。

電気掃除機用電動送風機の構造を示す断面図である。 交流整流子電動機の従来の固定子と電機子の断面図である。 第１の実施形態の磁極部にスリットを配置した固定子と電機子断面図である。 第１の実施形態の磁極部にスリットを配置した固定子の拡大図である。 従来形状での磁束の流れを示す断面図である。 従来形状でのギャップ磁束密度分布図である。 従来形状での出力トルクの解析結果図である。 従来形状での最大負荷時のブラシ後端電圧の解析結果を示す図である。 第１の実施形態での磁束の流れを示す断面図である。 第１の実施形態でのギャップ磁束密度分布図である。 第１の実施形態での出力トルクの解析結果図である。 第１の実施形態での最大負荷時のブラシ後端電圧の解析結果を示す図である。 第２の実施形態の磁極部にスリットを配置した固定子の拡大図である。 第３の実施形態の磁極部にスリットを配置した固定子の拡大図である。

本発明の実施形態を、図１〜図９を用いて説明する。なお、ここでは電気掃除機に用いられる電動送風機の交流整流子電動機の実施形態として述べるが、この交流整流子電動機は他の用途に用いられても良い。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電気掃除機用の電動送風機１００の構造断面図である。電動送風機１００は、電動機（交流整流子電動機）１０１と送風機１０２から構成される。

電動機１０１は、ハウジング３の内周側に固定された固定子１、ハウジング３の軸受５ａとエンドブラケット４の軸受５ｂに回転自在に保持されるシャフト６、シャフト６に固定された電機子鉄心２１と整流子２５、電機子鉄心２１はティース２３と電機子スロットＳを備え、電機子スロットＳ中に巻装された電機子コイル２２が整流子２５に接続された電機子２、および、整流子２５と機械的接触によって電気的接続を行うカーボンブラシ７と、カーボンブラシ７を保持するとともにハウジング３に固定するためのブラシホルダ８とからなる。

また、整流子２５は、複数の整流子片２５ａを有し、各整流子片２５ａは電機子２内の電機子コイル２２と接続されている。カーボンブラシ７は、つる巻バネ８１により整流子２５に押し付けられ、整流子２５に摺接している。カーボンブラシ７と外部電極に電気的接続するためのリード線８２があり、ブラシホルダ８に設けられた端子（図示せず）と接続されている。

一方、送風機１０２は、ナット３０によりシャフト６の一端に固定される遠心ファン３１、遠心ファン３１から出た空気流の速度を落とし圧力回復するディフューザ３２、ディフューザ３２と一体に成形された空気流を電動機１０１内へ導くリターンガイド３３、遠心ファン３１とディフューザ３２を覆うファンケーシング３４によって構成される。

電動送風機１００を運転すると電機子２が回転し、電機子２と同軸に固定された遠心ファン３１も回転する。遠心ファン３１が回転するとファンケーシング３４の空気吸込口３５から空気が流入し、遠心ファン３１、ディフューザ３２、リターンガイド３３を通り電動機１０１内部へと流れ込む。流れ込んだ空気は、電動機１０１を冷却しつつ排出される。

図２は、電動機１０１の固定子１と電機子２の断面図を示す。固定子１は、略円環状のヨーク部１１とその内周側に対向するように形成される一対の磁極部１２とからなる固定子鉄心１３を積層したものと、磁極部１２に巻装される界磁コイル１４とから構成される。また、対向する一対の磁極部１２の間に配置される電機子２は、複数のＴ字型のティース２３を有する電機子鉄心２１と、ティース２３によって形成されている電機子スロットＳ１〜Ｓ１２に巻装される電機子コイル２２とから構成される。なお、本実施形態では、ティース２３の本数を１２本とした例を説明するが、ティース２３の本数はこれに限られるものではない。

図３は第１の実施形態の固定子１と電機子２の断面図である。図２と同様の部分については説明を省く。磁極部１２の中央部近傍と、原点（電機子２の中心の点、かつ／又は固定子１の中心の点）を通る中心軸が通過するように空隙のスリット１５を配置する。以下、さらに詳細に説明する。

スリット１５は、磁極部１２の外周側から内周側にかけて大きく設けられ、それぞれ磁気ブリッジ１６が形成される。磁気ブリッジは極力細い方が磁気飽和しやすくなり、磁極部１２を横断する電機子反作用磁束を遮断する効果を得やすいが、機械的強度が弱くなるため、電動機１０１の生産組立方法を考慮し、バランスの取れる厚さが良い。本実施形態では、磁気ブリッジ１６の厚みは０．３ｍｍ〜０．５ｍｍが適度である。ただし、磁気ブリッジａ１６ａと磁気ブリッジｂ１６ｂは必ずしも同じ厚みに設定する必要はなく、性能と機械的強度のバランスの取れる厚みで良い。

次に図４などを用い、スリット１５のスリット辺１５１〜１５５について説明する。

スリット１５の増磁側のスリット辺１５１、１５２は、磁極部１２の外周側から中心軸に平行に形成される平行辺１５１と、中心軸に向かう傾斜辺１５２と、を有する。増磁側のスリット辺で、平行辺１５１と傾斜辺１５２との切り替わる点を頂点Ａとする。増磁側のスリット辺のうち、傾斜辺１５２は、頂点Ａから角度を変えて形成され、スリット１５の磁極部１２の内周側まで到達する。これは、まず中心軸に平行に形成される平行辺１５１により、電機子２へ向かう磁束の流れをアシストさせる。途中、中心軸に向かう傾斜辺１５２とするのは、電機子２が回転する中でのティース２３の位置での磁束の流れの影響を少なくするためである。

一方、スリット１５の減磁側のスリット辺１５３，１５４，１５５は、磁極部１２の外周側から中心軸に平行に形成される平行辺１５３と、中心軸から離れる傾斜辺１５４と、中心軸に向かう傾斜辺１５５と、を有する。減磁側のスリット辺で、平行辺１５３と傾斜辺１５４とが切り替わる点を頂点Ｂ、傾斜辺１５４と傾斜辺１５５とが切り替わる点を頂点Ｃとする。減磁側のスリット辺のうち、傾斜辺１５５は、頂点Ｃから角度を変えて形成され、スリット１５の磁極部内周側まで到達する。こちらもまず中心軸に平行に形成される平行辺５３により、電機子２へ向かう磁束の流れをアシストさせる。途中に中心軸から離れる傾斜辺１５４とするのは、磁極部１２の先端側へ向かう磁束の流れを作るためである。さらにその途中、中心軸へ向かう傾斜辺１５５を形成するのは前述のとおり、電機子２が回転する中でのティース２３の位置での磁束の流れの影響を少なくするためである。以上のスリット１５を設けることにより、第１の実施形態によってトルクと整流性能を向上させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、概略は実施形態１と同じだが、特に効果の得やすいスリット１５の形状である。第１の実施形態と同じ点は説明を省略する。

図４は磁極部１２の拡大図である。スリット１５の幅は、磁極部外周側のスリット幅をｗ_ｓ１とし、磁極部外周の凹部１８の底辺幅をｗ_ｍｂとしたとき、ｗ_ｓ１＝ｗ_ｍｂ±１０％が良い。これにより、効果的な電機子反作用磁束の遮断を得ることと、不要に磁気ブリッジａ１６ａを形成しないこと、磁束密度分布の過疎を必要以上に発生させなくする。

ここで、スリット１５のスリット辺に注目する。スリット１５の増磁側のスリット辺は、磁極部外周側から中心軸に平行に形成され、途中に中心軸に向かう傾斜辺を形成する１つの頂点Ａを有する。頂点Ａより増磁側のスリット辺は角度を変えて形成され、スリット１５の磁極部内周側まで到達する。一方、スリット１５の減磁側のスリット辺は、磁極部外周側から中心軸に平行に形成され、途中に中心軸から離れる傾斜辺を形成する１つの頂点Ｂを有し、さらに頂点Ｂより形成された傾斜辺の端点を頂点Ｃとし、頂点Ｃより中心軸に向かう傾斜辺が形成され、スリット１５の磁極部内周側まで到達する。つまり、頂点Ｂと中心軸の最短距離をｗ_Ｂ、頂点Ｃと中心軸の最短距離をｗ_Ｃとしたとき、ｗ_Ｂ＜ｗ_Ｃとする。これは、磁気ブリッジ１６の形成に影響されない部分でスリット１５を減磁側に配置することで、磁束密度分布が疎になりやすい部分を削除でき、効率的に磁束を電機子２に誘導するためである。

以上の増磁側、減磁側の２つのスリット辺で形成されるスリット１５の磁極部外周側のスリット幅をｗ_ｓ１、磁極部内周側のスリット幅をｗ_ｓ２としたとき、ｗ_ｓ２＜ｗ_ｓ１とする。このとき、ｗ_ｓ２は原点を通る中心軸によって２つに分割可能なように配置し、分割されるｗ_ｓ２の減磁側をｗ_ｓ２ａ、増磁側をｗ_ｓ２ｂとしたとき、ｗ_ｓ２ａ＞ｗ_ｓ２ｂ＞０とする。磁極部内周は、回転運動をするために電機子２との磁束の往来が顕著な部分であり、特に、電機子鉄心２１に形成される複数のティース２３の形状に影響される。ティース２３に効率良く磁束を流すため、ｗ_ｓ２は幅が小さい方が良い。そして、増磁側は磁束密度が高くなりやすいため、磁束の往来が顕著になる磁極部内周側は少しでも磁束密度を緩和し、効果的に磁束を流せる様、スリット１５を設けずに鉄心磁路を設ける。一方で、減磁側については磁束密度がある程度低いため、スリット幅ｗ_ｓ２ｂが設けられる。但し、前述したとおりティース２３に磁束が流れなくしては性能が低下してしまうため、適度なｗ_ｓ２ｂとする。そのため、ティース幅ｗ_ｓ２はティース２３の形状を踏まえた上で適切な選定をすることが望ましい。

図５は従来形状での最大負荷時の磁界解析結果である。図５ａは磁束の流れを示した図である。磁極部１２で減磁側から増磁側に向かう磁束が見られ、増磁側の磁束密度の偏りと、磁極部近傍部での磁束密度の疎な部分が生じている。図５ｂは、ギャップ磁束密度分布、図５ｃは出力トルクの解析結果、図５ｄはブラシ後端電圧の解析結果をそれぞれ示している。ブラシ後端電圧においては、同一スロット内にある先に整流が開始するコイルを前コイル、後に整流が開始するコイルを後コイルと称し、それぞれの終端の電圧をブラシ後端電圧と称している。このブラシ後端電圧の値を整流火花の生じやすさの指針とし、小さい方が整流火花は出にくいとしている。但し、前述の前コイルと後コイルは電機子２の巻線方式が異数巻線方式に限った称し方である。

図６は第１の実施形態での最大負荷時の磁界解析結果である。図６ａは磁束の流れを示した図である。磁極部中央近傍にスリット１５を設けたことにより、減磁側から増磁側へ横断していた磁束が抑制されているのがわかる。図６ｂはギャップ磁束密度分布図である。実線で示された第１の実施形態の特性は、点線で示された従来の特性に比べ、増磁側の磁束密度が維持された状態で、減磁側で磁束密度が増えているのがわかる。このことからも、第１の実施形態により効率的に磁束を電機子２へ誘導できていることがわかる。図６ｃは出力トルクの解析結果である。従来に比べ、平均トルクが３．７５％増加していることがわかる。図６ｄはブラシ後端電圧の解析結果である。従来に比べ、前コイル側は３．００Ｖ低減、後コイル側は２．７２Ｖ低減している。以上のことにより、第１の実施形態によってトルクと整流性能を向上させることできる。

（第３の実施形態）
図７は、実施形態２の磁極部１２の拡大図である。第１の実施形態〜３と同じ点は説明を省略する。第１の実施形態で示したスリット１５に対し、磁極部内周に開口部１７を設けても良い。これにより、磁気ブリッジ１６にわずかに流れていた磁束も抑制することができ、更なるトルク、整流性能の向上が見込める。開口部１７については、磁極部内周に対向しているスリット１５の辺であればどこに配置しても良い。

（第４の実施形態）
図８は、実施形態３の磁極部１２の拡大図である。第１の実施形態〜３と同じ点は説明を省略する。第１の実施形態で示したスリット１５に対し、スリット１５が２分割されるように磁気ブリッジ１６を径方向に設けても良い。これにより、第１の実施形態と同等の効果を得られながら機械的強度を確保することができる。

１ 固定子
２ 電機子
３ ハウジング
４ エンドブラケット
５ ベアリング
６ シャフト
７ カーボンブラシ
８ ブラシホルダ
１１ ヨーク部
１２ 磁極部
１２ａ 増磁側
１２ｂ 減磁側
１２ｃ 磁極バック
１３ 固定子鉄心
１４ 界磁コイル
１５ スリット
１６ 磁気ブリッジ
１７ 開口部
１８ 凹部
２１ 電機子鉄心
２２ 電機子コイル
２３ ティース
２５ 整流子
２５ａ 整流子片
Ｓ１〜Ｓ１２ 電機子スロット

Claims (4)

1. 略環状のヨーク部と、該ヨーク部の内周側に対向するように形成される一対の磁極部と、該磁極部に巻装される界磁コイルと、からなる固定子と、前記磁極部間に回転自在に配置されたシャフトと、該シャフトに固定された電機子鉄心と、該電機子鉄心の外周に形成される複数のティースに巻装される電機子コイルと、該電機子コイルに接続された整流子と、からなる電機子と、前記整流子と機械的に接触することで電気的に接続される一対のブラシとを有した交流整流子電動機であって、
   該固定子は中心軸に対称の形状を有しており、該磁極部の中心にスリットが配置され、そのスリットは、該磁極部外周側は中心軸に対し対称の形状であるが、該スリットの増磁側のスリット辺は、該磁極部外周側から中心軸に平行に形成され、途中に中心軸に向かう傾斜辺を形成する１つの頂点Ａを有しており、該スリットの減磁側のスリット辺は、該磁極部外周側から中心軸に平行に形成され、途中に中心軸から離れる傾斜辺と、さらに中心軸に向かう傾斜辺と、をそれぞれ形成する２つの頂点を有しており、該磁極部内周側は中心軸に非対称な形状であることを特徴とした交流整流子電動機。
2. 請求項１に記載の交流整流子電動機であって、
   磁極部外周の凹部底辺幅をｗ_ｍｂ、磁極部外周側スリット幅をｗ_ｓ１、該スリットの減磁側スリット辺の磁極部外周側頂点Ｂの中心軸からの距離をｗ_Ｂ、磁極部内周側頂点Ｃの中心軸からの距離をｗ_Ｃ、磁極部内周側スリット幅をｗ_ｓ２、磁極部内周側幅ｗ_ｓ２を中
   心軸で分割した減磁側の幅をｗ_ｓ２ａ、増磁側の幅をｗ_ｓ２ｂとしたとき、下記の式（１
   ）、式（２）、式（３）及び式（４）の条件を満足することを特徴とした交流整流子電動機。
   ｗ_ｓ１＝ｗ_ｍｂ±１０％…（１）
   ｗ_Ｃ＞ｗ_Ｂ…（２） ｗ_ｓ１＞ｗ_ｓ２…（３）
   ｗ_ｓ２ａ＞ｗ_ｓ２ｂ＞０…（４）
3. 請求項１に記載の交流整流子電動機であって、該固定子の磁極部スリットは、該磁極部内周側のスリット辺に開口部を有することを特徴とする交流整流子電動機。
4. 請求項１に記載の交流整流子電動機であって、該固定子の磁極部のスリットを分割する該磁極部外周がわから該磁極部内周側に伸びる径方向の磁気ブリッジを有することを特徴とした交流整流子電動機。

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